FABRIZIA GIOPPO NUNES

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1 FABRIZIA GIOPPO NUNES GRAU DE IMPERMEABILIZAÇÃO DOS SOLOS E AUMENTO DOS PICOS DE VAZÃO DE CHEIAS: ESTUDO DE CASO DA BACIA HIDROGRÁFICA DO RIO ATUBA - CURITIBA E REGIÃO METROPOLITANA / PR. Tese apresentada ao curso de Pós Graduação em Geologia, Setor de Ciências da Terra, Universidade Federal do Paraná UFPR, como requisito parcial à obetenção do título de doutor em Geologia Ambiental. Professor orientador: Dr. Alberto Pio Fiori Professor co-orientadores: Dr a. Chisato Oka Fiori Dr. Naldy E. Canali CURITIBA 2007

2 Livros Grátis Milhares de livros grátis para download.

3 AGRADECIMENTOS Ao professor Dr. Alberto Pio Fiore, pela confiança e orientação durante o desenvolvimento do trabalho, tornando este possível, e por saber motivar o tema; A professora Dr a. Chisato Oka Fiori, os mais sinceros agradecimentos pelo total apoio durante o meu percurso acadêmico, pelo carinho e amizade, e por ter me mostrado os caminhos da pesquisa científica; Ao professor Dr. Naldy Emerson Canali pela amizade e incentivo a pesquisa científica; Aos professores Dr(s) Roberto Fendrich e Masato Kobiyama, pela transmissão de informações e correções durante a fase de qualificação, sendo estas bastante pertinentes no trabalho; Aos professores Dr(s) Elvo Fassbinder e Luiz Eduardo Mantovani, pela amizade e pelos conhecimentos prestados durante o curso de Pós Graduação em Geologia; Ao meu irmão Eugênio Jóse Gioppo Nunes, pelo carinho e apoio, principalmente no que se refere aos auxílios prestados durante a programação em Excel, das equações utilizadas no trabalho, tornando os cálculos mais rápidos e precisos, os meus mais sinceros agradecimentos; Aos Colegas do Laboratório de Geologia Ambiental Nicole Borchardt, Claudinei Taborda da Silveira, Júlio Manoel F. Silva e Clotilde Zai Silveira, pela amizade e por me transmitirem confiança nos momentos difíceis; Os mais sinceros agradecimentos a amiga de curso Neiva Cristina Ribeiro, pelo auxílio durante a coleta de dados, pela troca de informações, incentivo, e principalmente pelas boas conversas e amizade cultivada; Ao professor Dr. Luigi Carmignani pela oportunidade de um estagio de doutorado no Centro di Geotecnologie dell' Università degli Studi di Siena, e principalmente ao amigo Sandro Humphreys e a amiga de curso Dr a. Simone Kozciak, que sempre mostraram-se prestativos, tanto em questões pessoais como acadêmicas, durante a minha estadia; Agradecimento especial ao aluno de doutorado Giacomo Firpo da Universidade de Siena, pela orientação como estagiária no Laboratório de Sensoriamento Remoto e Fotogrametria Digital e pelas longas horas dedicadas no ensinamento das técnicas de fotogrametria digital, mostrando-se sempre disposto a esclarecer as minhas dúvidas; Ao IMPE na pessoa de Lúbia Vinha, por ter ministrado o curso de Introdução ao Spring, sendo de grande utilidade; A colega Dr a. Tânia Lucia Graf de Miranda, pelo auxílio na elaboração do Plano de Projeto; II

4 A secretária do curso de Pós Graduação em Geologia da UFPR Sarita Pavin, pela amizade e pelo suporte administrativo; À SEMA, na pessoa de Isaías e Pedrinho, pelo empréstimo das fotografias aéreas; A SUDERHSA, nas pessoas de Edson Nagashima, Nilson Morais, Júlio Habitzreuter, pelo fornecimento de dados hidrológicos. A geógrafa Sônia, pelo fornecimento das fotografias aéreas do ano 2000; À Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPEs pelo apoio financeiro através da bolsa de doutorado, e ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico CNPq pela bolsa de doutorado sanduíche no exterior; Aos meus irmãos Francisco, Marilza e Benito, pelo carinho e admiração; A minha irmã Dr a. Giovana Gioppo Nunes por me desperta o incentivo acadêmico, mesmo antes da minha entrada para a universidade, e pelo seu modelo como pesquisadora; Aos meus pais, Francisco e Zaira, pelo amor incondicional, incentivo em meus estudos e pela compreensão durante as minhas horas de ausência; A Deus, por ter estado presente nas horas mais difíceis e por ter permitindo que esta pesquisa torna-se possível. III

5 A natureza faz o homem e o homem refaz a natureza, incessantemente amassa a sua criadora e dá-lhe nova forma (Anatole France Pierre Mozière). IV

6 SUMÁRIO LISTA DE FIGURAS... VII LISTA DE TABELAS... IX LISTA DE SÍMBOLOS... XI LISTA DE ABREVIATURAS... XIII RESUMO... XV ABSTRACT... XVI Capítulo 1 INTRODUÇÃO Objetivo... 4 Capítulo 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Impacto urbano no sistema hidrológico Modelagem hidrológica e sistemas de informação geográfica (Sig s) Modelos hidrológicos de transformação de chuva em vazão Medidas de controle de inundações Capítulo 3 DESCRIÇÃO DA ÁREA DE ESTUDO Localização Geologia Geomorfologia Pedologia Descrição das classes de solos Clima Precipitações pluviométricas Capítulo 4 PROCEDIMENTO METODOLÓGICO E MATERIAIS UTILIZADOS Materiais utilizados Método Racional Método de Ven Te Chow Soil Conservation Service (Scs) Geração e estruturação dos dados em ambiente SIG Aquisição dos dados em meio digital Digitalização das cartas temáticas Técnica de fotogrametria com o uso de esterioscopia digital Fase de orientação das fotografias aéreas Restituição dos elementos observados nas fotografias aéreas V

7 Controle de campo Transferência dos dados cartográficos para o ambiente SIG Integração dos dados em ambiente SIG Capítulo 5 DETERMINAÇÃO DOS PARÂMETROS ENVOLVIDOS NA ANÁLISE Parâmetros morfométricos Cobertura superficial da bacia hidrográfica do rio Atuba Análise multitemporal das classes temáticas da cobertura superficial do terreno Tempo de concentração (t c ) Intensidade máxima da chuva (i m ) Coeficiente de escoamento superficial (C) Determinação dos valores de (CN) Determinação dos valores do coeficiente de armazenamento (S) Determinação da perda inicial da precipitação ( Ia) Determinação dos valores do coeficiente de escoamento superficial (C) Procedimento de seleção dos eventos pluviométricos escolhidos Resultados dos valores de C obtidos pelo método do SCS Determinação dos coeficientes de retardo por efeito da declividade (φ) Precipitação excetende (Re) Determinação do fator de redução de pico (Z) Capítulo 6 RESULTADOS Cálculo da vazão de pico pelo Método Racional Cálculo da vazão de pico pelo Método de Ven Te Chow Soil Conservation Service (SCS) Capítulo 7 ANÁLISE E DISCUSSÃO DOS DADOS GERADOS Comparação entre as vazões de pico obtidas pelo Método Racional (adaptado) com as vazões obtidas pelo Método de Ven Te Chow Comparação das vazões simuladas com estudos anteriores Análise do impacto da urbanização nos picos de vazão de cheias CONCLUSÕES CONSIDERAÇÕES FINAIS 157 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS VI

8 LISTAS DE FIGURAS FIGURA 1 - FLUXOGRAMA DE MEDIDAS PARA CONTROLE DAS CHEIAS FIGURA 2 - LOCALIZAÇÃO DA ÁREA DE ESTUDO FIGURA 3 - GEOLOGIA DA ÁREA DE ESTUDO BACIA DO RIO ATUBA FIGURA 4 - SOLOS DA ÁREA DE ESTUDO BACIA DO RIO ATUBA FIGURA 5 - GRÁFICO DO ÍNDICE DE PRECIPITAÇÃO NA ESTAÇÃO PLUVIOMÉTRICA DE CURITIBA - PRADO VELHO A 884m DE ALTITUDE (PERÍODO: 1982 A 2004) FIGURA 6 - GRÁFICO DO ÍNDICE DE PRECIPITAÇÃO NA ESTAÇÃO PLUVIOMÉTRICA DE COLOMBO A 977m DE ALTITUDE (PERÍODO: 1988 A 2004) FIGURA 7- GRÁFICO DO ÍNDICE DE PRECIPITAÇÃO NA ESTAÇÃO PLUVIOMÉTRICA DE FAZ. EXP. FAC. AGRONOMIA (PINHAIS) 900m DE ALTITUDE (PERÍODO:1971 A 2004) FIGURA 8 - GRÁFICO DO ÍNDICE DE PRECIPITAÇÃO NA ESTAÇÃO PLUVIOMÉTRICA DE CURITIBA A 929m DE ALTITUDE (PERÍODO: 1960 A 2004) FIGURA 9 - FLUXOGRAMA DO PROCEDIMENTO METODOLÓGICO ADOTADO NO TRABALHO FIGURA 10 - CARTOGRAFIA BASE - BACIA DO RIO ATUBA FIGURA 11 - EQUIPAMENTOS UTILIZADOS PARA A FOTORESTITUIÇÃO DIGITAL FIGURA 12 - EXEMPLO DE POSICIONAMENTO DAS MARCAS FIDUCIAIS NAS FOTOGRAFIAS AÉREAS PARA A REALIZAÇÃO DA ORIENTAÇÃO INTERNA FIGURA 13 - ATRIBUIÇÃO DOS PARÂMETROS GEODÉSICOS PARA O GEORREFERENCIAMENTO DAS FOTOGRAFIAS AÉREAS FIGURA 14 - FIGURA 14 - EXEMPLO DE ATRIBUIÇÃO DOS GCP(S) SOBRE AS FOTOGRAFIAS AÉREAS PARA O GEORREFERENCIAMENTO FIGURA 15 - EXEMPLO DE FOTOINTERPRETAÇÃO DA REDE DE DRENAGEM FIGURA 16 - DETALHADA E VIAS DE ACESSO PRINCIPAIS EXEMPLO DE FOTOINTERPRETAÇÃO DOS POLÍGONOS QUE REPRESENTAM AS CLASSES TEMÁTICAS DE COBERTURA SUPERFICIAL DO TERRENO FIGURA 17 - EXEMPLO DE FOTOINTERPRETAÇÃO E CONTROLE DE CAMPO (A) FIGURA 18 - EXEMPLO DE FOTOINTERPRETAÇÃO E CONTROLE DE CAMPO (B) FIGURA 19 - EXEMPLO DE CLASSES DE COBERTURA SUPERFICAL DO TERRENO 79 FIGURA 20 - TRECHOS DO CANAL DE DRENAGEM DO RIO ATUBA FIGURA 21 - FLUXOGRAMA DE TRANSFERÊNCIA DE DADOS PARA O AMBIENTE SIG FIGURA 22 - ESQUEMA UTILIZADO DURANTE A INTEGRAÇÃO DOS DADOS EM AMBIENTE SIG FIGURA 23 - HIERARQUIA DA REDE DEDRENAGEM BACIA DO RIO ATUBA FIGURA 24 - CARTA DA COBERTURA SUPERFICIAL DO TERRENO (1962) FIGURA 25 - CARTA DA COBERTURA SUPERFICIAL DO TERRENO (1980) FIGURA 26 - CARTA DA COBERTURA SUPERFICIAL DO TERRENO (2000) FIGURA 27 - EXEMPLO DE ÁREAS QUE SOFRERAM REGENERAÇÃO DA CLASSE DE ZONAS FLORESTAIS E VEGETAÇÃO DENSA ( ) 96 FIGURA 28 - GRÁFICO DA VARIAÇÃO DAS CLASSES DE COBERTURA SUPERFICIAL DO TERRENO DA BACIA HIDROGRÁFICA DO RIO VII

9 ATUBA (%) FIGURA 29 - MEDIDAS ESTRUTURAIS PARA O CONTROLE DE CHEIAS NA REGIÃO DE CURITIBA FIGURA 30 - GRÁFICOS DA CURVA DE TENDÊNCIA DOS VALORES DE Ai FIGURA 31 - ÍNDICES DE COEFICIENTE DE ARMAZENAMENTO SUPERFICIAL (1962) FIGURA 32 - ÍNDICES DE COEFICIENTE DE ARMAZENAMENTO SUPERFICIAL (1980) FIGURA 33 - ÍNDICES DE COEFICIENTE DE ARMAZENAMENTO SUPERFICIAL (2000) FIGURA 34 - LOCALIZAÇÕES E ÁREA DE INFLUÊNCIA DAS ESTAÇÕES PLUVIOMÉTRICAS (MÉTODO DE THIESSEN) FIGURA 35 - DECLIVIDADE DA ÁREA DE ESTUDO BACIA DO RIO ATUBA FIGURA 36 - ÍNDICES DE COEFICIENTES DE ESCOAMENTO SUPERFICIAL (1962) FIGURA 37 - ÍNDICES DE COEFICIENTES DE ESCOAMENTO SUPERFICIAL (1980) FIGURA 38 - ÍNDICES DE COEFICIENTES DE ESCOAMENTO SUPERFICIAL (2000) FIGURA 39 - GRÁFICOS DA CURVA DE TENDÊNCIA DOS COEFICIENTES Cr AO LONGO DOS ANOS ANALISADOS (A) FIGURA 40 - GRÁFICOS DA CURVA DE TENDÊNCIA DOS COEFICIENTES Cr AO LONGO DOS ANOS ANALISADOS (B) FIGURA 41 - GRÁFICOS DA CURVA DE TENDÊNCIA DOS COEFICIENTES Cr AO LONGO DOS ANOS ANALISADOS (C) FIGURA 42 - PERFIL LONGITUDINAL DO FUNDO DE VALE DO RIO ATUBA FIGURA 43 - HIDROGRAMA DAS VAZÕES DE PICO SIMULADAS PELO MÉTODO DE VEN TE CHOW FIGURA 44 - HIDROGRAMA DAS VAZÕES DE PICO SIMULADAS PELO MÉTODO DE VEN TE CHOW FIGURA 45 - HIDROGRAMA DAS VAZÕES DE PICO SIMULADAS PELO MÉTODO DE VEN TE CHOW FIGURA 46 - RELAÇÃO ENTRE AS VAZÕES DE PICO SIMULADAS PELO MÉTODO RACIONAL COM AS VAZÕES DE PICO SIMULADAS PELO MÉTODO DE VEN TE CHOW (1962) FIGURA 47 - RELAÇÃO ENTRE AS VAZÕES DE PICO SIMULADAS PELO MÉTODO RACIONAL COM AS VAZÕES DE PICO SIMULADAS PELO MÉTODO DE VEN TE CHOW (1980) FIGURA 48 - RELAÇÃO ENTRE AS VAZÕES DE PICO SIMULADAS PELO MÉTODO RACIONAL COM AS VAZÕES DE PICO SIMULADAS PELO MÉTODO DE VEN TE CHOW (2000) FIGURA 49 - AUMENTO DA VAZÃO DE PICO EM RELAÇÃO AO PERCENTUAL DE ÁREAS IMPERMEÁVEIS DA BACIA HIDROGRÁFICA DO RIO ATUBA FIGURA 50 - COEFICIENTES DE ESCOAMENTO SUPERFICIAL X VAZÕES DE PICO SIMULADAS PARA A BACIA DO RIO ATUBA VIII

10 LISTA DE TABELAS TABELA 1 - CAUSAS E EFEITOS DA URBANIZAÇÃO SOBRE AS INUNDAÇÕES URBANAS... 8 TABELA 2 - VALORES DO COEFICIENTE DE RETARDAMENTO φ EM FUNÇÃO DA ÁREA DA BACIA TABELA 3 - COEFICIENTES DE ESCOAMENTO SUPERFIAL ADOTADOS PELA PREFEITURA DE SÃO PAULO E DETERMINADOS POR WILKEN (1978). 21 TABELA 4 - VALORES DE COEFICIENTES DE ESCOAMENTO SUPERFICIAL POR TIPO DE OCUPAÇÃO (ASCE, 1969) TABELA 5 - VALORES DE Ci PARA ALGUMAS SUPERFÍCIES IMPERMEÁVEIS TABELA 6 - VALORES DE C BASEADOS NAS CARACTERÍSTICAS DA SUPERFÍCIE TABELA 7 - VALORES DE C PARA ÁREAS RURAIS TABELA 8 - CARACTERÍSTICAS DE BACIAS URBANAS BRASILEIRAS TABELA 9 - EQUAÇÕES PARA DETERMINAR A INTENSIDADE MÁXIMA MÉDIA DAS CHUVAS EM CURITIBA-PR TABELA 10 - SÍNTESE DAS MEDIDAS NÃO ESTRUTURAIS TABELA 11 - COLUNA ESTRATIGRÁFICA DA BACIA DE CURITIBA TABELA 12 - COMPARAÇÃO DOS VALORES CLIMÁTICOS OBTIDOS POR MAACK TABELA 13 - (2002) COM OS VALORES OBTIDOS POR FENDRICH (2006) LISTA DE FOTOGRAFIAS AÉREAS QUE RECOBREM A BACIA HIDROGRÁFICA DO RIO ATUBA TABELA 14 - SEGMENTO DOS CANAIS POR ORDEM HIERÁRQUICA TABELA 15 - PARÂMETROS MORFOMÉTRICOS DA BACIA DO RIO ATUBA TABELA 16 - CLASSES DE COBERTURA SUPERFICIAL DO TERRENO.. 90 TABELA 17 - CÁLCULO DAS ÁREAS DAS CLASSES DE COBERTURA SUPERFICIAL DO TERRENO DA BACIA HIDROGRÁFICA DO RIO ATUBA DOS ANOS (1962, 1980 E 2000) TABELA 18 - VALORES DO TEMPO DE CONCENTRAÇÃO DA BACIA HIDROGRÁFICA DO RIO ATUBA DOS ANOS DE 1962, 1980 E TABELA 19 - VALORES DA INTENSIDADE DA CHUVA (mm/h) PARA A BACIA HIDROGRÁFICA DO RIO ATUBA TABELA 20 - GRUPOS HIDROLÓGICOS DE SOLOS DA BACIA HIDROGRÁFICA DO RIO ATUBA TABELA 21 - VALORES DE CN EM FUNÇÃO DA COBERTURA SUPERFICIAL DO TERRENO, DO TIPO HIDROLÓGICO E CONDIÇÃO DE UMIDADE DO SOLO PARA A BACIA HIDROGRÁFICA DO RIO ATUBA TABELA 22 - VALORES PONDERADOS DE CN PARA A BACIA HIDROGRÁFICA DO RIO ATUBA TABELA 23 - VALORES DE S DADOS EM FUNÇÃO DA COBERTURA SUPERFICIAL DO TERRENO, DO TIPO HIDROLÓGICO E CONDIÇÃO DE UMIDADE DO SOLO PARA A BACIA HIDROGRAFIA DO RIO ATUBA TABELA 24 - RELAÇÃO ENTRE O COEFICIENTE S E O PERCENTUAL DE ÁREAS OCUPADAS NA BACIA HIDROGRÁFICA DO RIO ATUBA TABELA 25 - VALORES DE Ia (mm) DADOS EM FUNÇÃO DA COBERTURA SUPERFICIAL DO TERRENO, DO TIPO HIDROLÓGICO E CONDIÇÃO DE UMIDADE DO SOLO TABELA 26 - ESTAÇÕES UTILIZADAS NO CÁLCULO DO MÉTODO DO POLÍGONO IX

11 DE THIESSEN TABELA 27 - PRECIPITAÇÕES PLUVIAIS EM (mm) DA BACIA HIDROGRÁFICA DO RIO ATUBA DOS 5 DIAS ANTERIORES AOS EVENTOS ESCOLHIDOS TABELA 28 - PRECIPITAÇÕES PLUVIAIS EM (mm) DA BACIA HIDROGRÁFICA DO RIO ATUBA DOS EVENTOS ESCOLHIDOS TABELA 29 - PRECIPITAÇÕES PLUVIAIS EM (mm) DA BACIA HIDROGRÁFICA DO RIO ATUBA DOS EVENTOS ESCOLHIDOS TABELA 30 - VALORES DE C DADOS EM FUNÇÃO DA COBERTURA SUPERFICIAL DO TERRENO, DO TIPO HIDROLÓGICO E CONDIÇÃO DE UMIDADE DO SOLO PARA A CHUVA DE 176,96 mm E DURAÇÃO DE 6 DIAS TABELA 31 - VALORES DE n E φ PARA A BACIA HIDROGRÁFICA DO RIO ATUBA TABELA 32 - VALORES DE Cr PARA A TORMENTA SEVERA SELECIONADA E DURAÇÃO DE 6 DIAS TABELA 33 - RELAÇÃO ENTRE O COEFICIENTE Cr E O PERCENTUAL DE ÁREAS OCUPADAS NA BACIA HIDROGRÁFICA DO RIO ATUBA TABELA 34 - FATOR DE CORREÇÃO DE C (WRIGHT MACLAUGHIN, 1962) TABELA 35 - VALORES DE Cr m EM FUNÇÃO DO TEMPO DE RETORNO E DA INTENSIDADE DA CHUVA TABELA 36 - CÁLCULO DA INTENSIDADE DA PRECIPITAÇÃO E DA CHUVA TOTAL. 132 TABELA 37 - VALORES DA PRECIPITAÇÃO EXCEDENTE - Re (mm/h) TABELA 38 - FATOR DE REDUÇÃO DO PICO DE VAZÃO TABELA 39 - SIMULAÇÃO DA VAZÃO DE PICO NA BACIA DO RIO ATUBA PELA EQUAÇÃO RACIONAL TABELA 40 - VAZÕES DE PICO SIMULADAS PELO MÉTODO DE VEN TE CHOW (ANO DE 1962) TABELA 41 - VÃZOES DE PICO SIMULADAS PELO MÉTODO DE VEN TE CHOW (ANO DE 1980) TABELA 42 - VÃZOES DE PICO SIMULADAS PELO MÉTODO DE VEN TE CHOW (ANO DE 2000) TABELA 43 - COMPARAÇÃO ENTRE AS VAZÕES DE PICO SIMULADAS DURANTE O TRABALHO COM AS VAZÕES SIMULADAS PELA SUDERHSA E SEMA TABELA 44 - VAZÕES DE PICO EM FUNÇÃO DAS ÁREAS IMPERMEÁVEIS SIMULADAS PELA EQUAÇÃO RACIONAL (MODIFICADA) X

12 LISTA DE SÍMBOLOS Símbolo Significado Unidade A área da bacia km 2, ha a, b, c, d parâmetros de ajuste da equação de chuvas intensas adimensional A i parcela da bacia com superfícies impermeáveis % a, n parâmetros de ajuste da equação do coeficientes de abatimento de distribuição da chuva adimensional A ip área de influência de P i km 2 A p parcela da bacia com superfícies permeáveis % A pd área de cada parcela distinta, da bacia km 2 A t área total da bacia hidrográfica km 2 C coeficiente de deflúvio ou de escoamento superficial adimensional C i coeficiente de escoamento de áreas impermeável adimensional CN 'curve number' / número da curva adimensional C p coeficiente de escoamento de áreas permeáveis adimensional C r coeficiente de escoamento superficial para o período de retorno desejado adimensional Cr coeficiente de escoamento superficial real adimensional Cr m coeficiente de escoamento superficial real médio da bacia adimensional Cr pd coeficiente de escoamento real para cada parcela de áreas distintas na bacia adimensional D d densidade de drenagem km/km 2 D h densidade hidrográfica rios/ km 2 E ps extensão do percurso superficial m G cp gradiente do canal principal m/km H b desnível topográfico m H cp desnível geométrico do canal principal m I declividade média do curso d água principal % Ia perda inicial da precipitação acumulada mm i m intensidade máxima da chuva sobre toda a área mm/h drenada IMP percentagem de áreas impermeáveis na bacia % K c coeficiente de compacidade adimensional K f fator de forma adimensional L comprimento do curso d água principal m L 2 extensão do rio km Lb comprimento da bacia km L cp extensão do canal principal km Lt comprimento total de todos os canais da rede hidrográfica km XI

13 L tal extensão do talvegue km N número de deflúvio adimensional n coeficiente em função da declividade da bacia adimensional P perímetro da bacia km P precipitação acumulada ou precipitação total de um evento mm P i precipitação em cada estação mm P m precipitação média da bacia mm Q max vazão máxima m 3 /s Q p vazão de pico m 3 /s R chuva total de um evento mm/h Re precipitação excedente mm/h R e altura de chuva em outra localidade mm R o altura de chuva na localidade base mm Rr relação de relevo m/km S coeficiente de armazenamento superficial por infiltração mm S in sinuosidade da bacia hidrográfica adimensional t duração da chuva mim, h t c tempo de concentração mim, h t d duração da chuva mim t p tempo de pico da vazão horas T r tempo de retorno ou tempo de recorrência anos X fator de deflúvio ou da intensidade da precipitação excedente adimensional Y fator climático adimensional Z fator de redução de pico adimensional β alcance do variograma do coeficientes de abatimento de distribuição da chuva adimensional ƒ fator de ajuste da área da bacia adimensional φ coeficiente de retardo que reflete os efeitos de armazenamento d água pela declividade do terreno adimensional φ coeficiente de retardamento em relação ao início da precipitação adimensional XII

14 LISTA DE ABREVIATURAS ASCE - American Society of Civil Engineers COMEC - Coordenação da Região Metropolitana de Curitiba DER/SP - Departamento de Estradas de Rodagem do Estado de São Paulo EMBRAPA - Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária GCPs - Ground control points IAPAR - Instituto Agronômico do Paraná IDF - Relação de Intensidade Duração Freqüência INPE - Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais IPHS - Modelagem Hidrológica e Hidráulica (software) ITCF - Instituto de Terras Cartografias e Florestas LEGAL - Linguagem de programação espacial para geoprocessamento algébrico MDT Modelo Digital do Terreno PIs - Planos de informação em ambiente SGI PROSAM - Programa de Saneamento Ambiental da Região Metropolitana de Curitiba PUC/PR - Pontifícia Universidade Católica do Paraná RMC - Região Metropolitana de Curitiba SAD 69 - South America Datum 1969 SCS - Soil Conservation Service / EUA SEAB - Secretaria de Estado da Agricultura e Abastecimento SEMA - Secretaria de Estado do Meio Ambiente SEPL - Secretaria de Estado do Planejamento e Coordenação Geral SIG - Sistema de Informação Geográfica XIII

15 SIGRH - Sistemas de Informações de Recursos Hídricos SPRING - Sistema de Processamento de Informações Georreferenciadas SUDERHSA - Superintendência de Desenvolvimento de Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental SUDESUL - Superintendência do Desenvolvimento da Região Sul UFPel - Faculdade de Engenharia Agrícola/ RS UFRGS - Universidade Federal do Rio Grande do Sul UTM - Sistema de Projeção Universal Transversal de Mercator XIV

16 RESUMO O trabalho tem como objetivo principal à aplicação de modelos hidrológicos que transformam chuva em vazão, atrelados à utilização de técnicas de tratamento de dados e confecção de cartas temáticas em ambiente SIG, visando quantificar e representar a distribuição espacial dos componentes hidrológicos, de uma bacia hidrográfica de médio porte. Os modelos hidrológicos, que tem por base os efeitos dos impactos da urbanização sobre o sistema de drenagem, utilizam-se da técnica de quantificação de áreas impermeáveis e da representação das características superficiais do terreno para simular picos de vazão de cheias, em bacias hidrográficas urbanas a parcialmente urbanizadas. Para a quantificação das áreas impermeáveis foi realizada a preparação das bases cartográficas em meio digital e a posterior confecção das cartas temáticas de cobertura superficial do terreno dos anos de 1962, 1980 e 2000 para tanto, utilizou-se de técnica específica de fotogrametria digital, através da função Stereo Analyst do software Erdas Imagine 8.6. O aumento do escoamento superficial e do pico de vazão de cheias foram quantificados a partir da aplicação da fórmula racional modificada e do Método de Ven Te Chow, para a comparação dos resultados obtidos. Para tais cálculos, foi necessário definir alguns parâmetros hidrológicos tais como: intensidade da chuva, características físicas da bacia (área, comprimento do talvegue, tempo de concentração, grupos hidrológicos de solos, umidade antecedente dos solos, declividade do terreno entre outros), precipitação efetiva, coeficiente de retardo por armazenamento (S), tempo de pico do hidrograma, fator de redução de pico do hidrograma e o coeficiente de escoamento superficial do terreno (C). Na etapa de SIG, foi criado um banco de dados contendo informações temáticas da superfície da bacia, através da confecção e combinação de cartas e tabelas por operações algébricas. Para simulação das vazões de pico, foram utilizadas diversas cartas temáticas elaboradas em meio digitais como: carta de solos, carta geológica, carta de declividade do terreno, cartas de coberturas superficiais do terreno, cartas dos índices de armazenamento dos solos e cartas dos índices de escoamento superficial do terreno, além de outras informações que fazem parte dos parâmetros necessários à aplicação dos métodos propostos. Todos os parâmetros considerados foram analisados em conjunto e integrados em ambiente SIG, tendo como resultado final, a quantificação e o mapeamento da capacidade de armazenamento dos solos, dos coeficientes de escoamento superficial e a análise dos picos de vazão de cheias, dentro de uma visão multitemporal e de uma projeção futura. Os índices obtidos além de mostrarem uma boa correlação entre os dois métodos, possibilitaram também, estabelecer uma boa comparação com os dados de urbanização. O procedimento metodológico desenvolvido, utilizando-se das técnicas de fotogrametria digital e SIG provou, ser uma boa alternativa para a distribuição espacial dos parâmetros hidrológicos e da estimativa de vazão de cheias, em bacias hidrográficas de médio porte, que não possuam dados fluviométricos. XV

17 ABSTRACT The main idea of this work is apply hydrological models to evaluate the relationship between rainfall and runoff of medium size basins. Data treatment and thematically maps made under GIS environment were used to quantify the spatial distribution of several hydrological components. The hydrological model created considers proper characteristics of the area under study and it was based on urbanization impact over drainage systems, where simulated peaks of discharge obtained quantify areas of impermeable surfaces. Cartographic bases of surface covering of land of 1962, 1980 and 2000 were confectioned by digital photogrammetry technique. For the digital photointerpretation the software Erdas Imagine 8.6 ( Stereo Analyst function) was ran to obtain surface covering maps. The increases of runoff coefficient and maximum discharge were quantified using a modification of Rational Equation. The results were compared with those obteined aplying Ven Te Chow method. In order to run this calculations some hydrological parameters were established: rainfall intensity, basin physical characteristics including size, talvegue length, concentration time, soil hydrologic groups, soil antecedence humity, declivity land surface, effective precipitation, potential maximum retention (S), time of hydrogram pick, reduction factor of hydrogram and runoff coefficient (C). During GIS step was created a data set containing thematic information of basin surface combining maps confectioned and tables of information by algebric operations. Simulations of maximum discharge were performed applying several thematic maps of soil, geology, land declivity, surface covering, potential maximum retention and runoff indices, all created by digital methods. All the parameters considered were analyzed together and integrated in GIS environmental considering a multi-temporal overview and a future projection. As a final result, were obtained the quantification and mapping for potential maximum retention of the soils, runoff coefficient and maximum discharge. Results show a good correlation between the two methods and permitted to establish a comparison with the urbanization data. The methodology developed here (based in digital photogrametria and GIS) seems to be an interesting alternative for analyze spatial distribution of hydrologic parameters and estimate maximum discharge in hydrographic basins of medium size not containing fluviometric data. XVI

18 1 CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO Com a crescente urbanização em Curitiba e Regiões Metropolitanas a rede hidrográfica vem sofrendo cada vez mais modificações em seus cursos naturais, perdendo com o passar do tempo, grande parte de suas características originais. O processo de uma expansão urbana não planejada, aliada ao tipo climático local, uma vez que Curitiba e suas áreas metropolitanas encontram-se entre as regiões mais chuvosas do Brasil, tem causado uma dinâmica fluvial marcada por picos de cheias com inundações, não raramente atingindo dimensões catastróficas. Curitiba e seus núcleos marginais apresentam um amplo registro de inundações ao longo de sua história. No período compreendido entre 1911 até os dias atuais foram registrados diversos episódios pluviais, provocando, em determinados lugares, inundações com ocorrência de grande número de desabrigados e de incalculáveis danos materiais para o poder público e a população local. Estudos feitos por Lima (2000), revelam que os principais acidentes naturais em Curitiba e Região Metropolitana são as inundações e os alagamentos, correspondendo a mais de 40% de todos os acidentes geológicos registrados entre 1976 a Além disso, obras de engenharia e de urbanização têm revestido grande parte das superfícies das bacias de drenagem através de edificações, pavimentações, arruamentos, calçadas, aterros, canalização dos corpos d água, entre outras. Para GENZ e TUCCI (1995), o recobrimento do solo por obras de engenharia e urbanização gera um maior volume de escoamento superficial em um tempo menor, resultando no aumento da vazão de cheia, redução do tempo de concentração e diminuição da vazão de base, o que acarreta no aumento das inundações. Surge então, a necessidade de estudos mais detalhados que visem 1

19 2 compreender a variação do regime hidrológico causado pelo processo de adensamento urbano. Com a finalidade de avaliar tais impactos sobre a rede de drenagem urbana, a presente pesquisa engloba o estudo da bacia hidrográfica do rio Atuba e de seus cursos d água, detendo-se nas principais características que condicionam o seu regime hidrológico. Essas características ligam-se aos aspectos pedológicos, geológicos, topográficos, geomorfológicos, climáticos e de adensamento urbano na região. Para avaliar as mudanças da dinâmica fluvial, adotou-se uma perspectiva de análise multitemporal, preocupando-se com as alterações decorrentes da atuação do homem sobre o ambiente hídrico, modificado pelas construções e obras de engenharia, que impermeabilizam o solo. O estudo do regime fluvial do rio Atuba foi realizado através da comparação de dois modelos hidrológicos que transformam chuva em vazão, procurando considerar a variação espacial dos parâmetros físicos, que interferem no ciclo hidrológico. Ênfase foi dada para a análise da evolução da impermeabilização do solo ao longo do tempo, verificando a sua interferência na geração de eventos de cheias. A aplicação dos dois modelos hidrológicos teve por finalidade a comparação de dados de vazões de pico, simulados por um modelo baseado em um método consagrado na literatura específica, com dados simulados por um modelo baseado no aperfeiçoamento do Método Racional, para bacias hidrográficas de médio porte. Esta comparação visa avaliar os dados gerados. Modelos de transformação de chuvas em vazão são de grande importância em um país que possui poucos dados fluviométricos, além disso, o aperfeiçoamento do Método Racional foi desenvolvido de modo a avaliar e quantificar a influência das alterações dos parâmetros hidrológicos, no regime fluvial de uma bacia hidrográfica de médio porte. Por ser de fácil aplicação e permitir o ajuste de seus parâmetros, distribuídos espacialmente, o Método Racional adaptado às necessidades de uma bacia de 2

20 3 médio porte possibilitou a comparação direta do aumento da vazão de pico com o aumento do coeficiente de escoamento superficial, gerados pela impermeabilização urbana. Esta comparação foi realizada dentro de uma perspectiva multitemporal, que não é considerada pela maioria dos métodos elaborados a partir do hidrograma unitário. Uma adequada identificação e avaliação do aumento da descarga de um rio e sua capacidade de suportar esta descarga podem levar a um melhor planejamento urbano de uma cidade, no que se refere às áreas sujeitas as inundações, com a redução de danos físicos e econômicos à população local e à administração pública. Os resultados da pesquisa poderão dar subsídios para a proposição de políticas de planejamento e desenvolvimento urbano que utilizem a bacia hidrográfica de médio porte como unidade de planejamento territorial, além do fornecimento de um método que utiliza às técnicas de Sistemas de Informação Geográfica (SIGs), atreladas a modelos hidrológicos para o estudo e análise da dinâmica fluvial. Dados fornecidos pela SEPL e PROSAM (1996), mostram que a bacia hidrográfica do rio Atuba é a segunda bacia mais urbanizada de Curitiba e suas imediações, sendo escolhida como área de estudo devido a diversos fatores tais como: fácil acesso, registros de inundações em seu interior, dimensão de sua área, além de permitir acompanhar, por fotografias aéreas, a evolução da densificação urbana ao longo dos últimos trinta anos. O presente estudo foi organizado em capítulos que tratam dos principais temas necessários ao seu desenvolvimento, como os descritos a seguir: No primeiro capítulo são apresentados os objetivos a serem desenvolvidos durante o decorrer deste trabalho e, no segundo, é apresentada uma revisão literária onde são discutidos os principais temas pertinentes à compreensão do desenvolvimento do trabalho e dos parâmetros envolvidos na análise. O terceiro capítulo é dedicado ao levantamento das principais características dos elementos físicos da paisagem que influenciam no comportamento hidrológico da área em estudo, tais como: geologia, geomorfologia, pedologia e clima local. O quarto capítulo trata dos materiais e métodos utilizados no decorrer do trabalho. Neste capítulo são detalhadas as técnicas de Sistemas de Informação 3

21 4 Geográfica e de fotogrametria digital, bem como, os dois métodos, utilizados na análise hidrológica da bacia. O quinto capítulo refere-se aos procedimentos utilizados na obtenção de todos os parâmetros necessários para a aplicação dos dois métodos propostos. Neste capítulo, também são apresentados os resultados dos valores estimados para cada parâmetro e a análise multitemporal das classes de cobertura superficial da bacia hidrográfica, objetivando avaliar e quantificar a evolução das áreas impermeáveis ocasionadas pelo processo de urbanização. No sexto capítulo são realizadas as aplicações do Método Racional (adaptado) e do Método de Ven Te Chow para a determinação das vazões de pico e, também são apresentados os resultados obtidos. No último capítulo são realizadas as análises e discussão dos resultados obtidos, através do tratamento estatístico de correlação entre duas variáveis, para verificar a relação das vazões de pico obtidas pelos dois métodos. Neste capítulo também é efetuada a análise multitemporal do impacto da urbanização no aumento dos picos de vazão de cheias e do coeficiente de escoamento superficial, com uma projeção para um cenário futuro além, das conclusões do trabalho. 1. OBJETIVO O principal objetivo do presente estudo é o desenvolvimento de um método que utilize técnicas de Sistemas de Informação Geográfica, acopladas à utilização de modelos hidrológicos para avaliar e espacializar as mudanças dos parâmetros hidrológicos de uma bacia hidrográfica, causadas pelo processo de adensamento urbano. No método proposto, além da realização da cartografia dos principais parâmetros envolvidos, objetivou-se também a quantificação do aumento do escoamento superficial e da vazão de pico, dentro de uma análise multitemporal, para bacias de médio porte, urbanizadas a parcialmente urbanizadas. 4

22 5 Para alcançar este objetivo foram determinados alguns objetivos intermediários, tais como: - Mapeamento da evolução multitemporal da cobertura superficial do terreno, com a identificação dos diferentes tipos de adensamento urbano que influenciam na impermeabilização do solo; - Fornecimento de uma metodologia, utilizando-se dos recursos de fotogrametria digital e de Sistemas de Informação Geográfica, para a quantificação mais precisa das áreas permeáveis e impermeáveis de uma bacia hidrográfica; - Correlação dos dados hidrológicos com os tipos de uso e ocupação urbana através de um Sistema de Informação Geográfica para gerar as cartas de coeficientes de armazenamento e de coeficientes de escoamento superficial do terreno, em diferentes datas de aquisição; - Aplicação de modelos hidrológicos de chuva - vazão para determinação do aumento do pico de vazão de cheia e do aumento do escoamento superficial, na geração de eventos de cheias. 5

23 6 CAPÍTULO 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 1. IMPACTO URBANO NO SISTEMA HIDROLÓGICO As mudanças ocorridas no interior de uma bacia hidrográfica podem ter causas naturais, entretanto, nas ultimas décadas, o homem tem participado cada vez mais como um agente acelerador dos processos modificadores e de desequilíbrio do ciclo hidrológico. Os efeitos desses processos fazem-se sentir dentro de um determinado sistema ambiental, e sobre o homem, como elemento deste sistema. Como um dos reflexos da natureza aos impactos do homem sobre ela podem ser citadas as inundações urbanas, que são classificadas como um dos principais acidentes ambientais, a nível nacional, devido às características de um país em desenvolvimento urbano acelerado, associado a tipos climáticos de índices pluviométricos elevados. As inundações podem ocorrer devido a processos naturais de extravasamento do fluxo dos rios na várzea ribeirinha ou pela impermeabilização do solo, causada pela urbanização. Na questão da urbanização SPIN (1947), afirma que no seu conjunto, as atividades urbanas, a densidade da forma urbana e os materiais impermeáveis com os quais são construídos, o padrão de assentamento e suas relações com a rede de drenagem natural e o projeto dos sistemas de drenagem e descontrole das enchentes, produzem um regime hídrico urbano característico. O escoamento superficial abundante e rápido dos temporais cria vazões de água extremamente altas durante e imediatamente após as chuvas. Ainda segundo o autor (op. cit., 1947), a pavimentação e os bueiros reduzem a infiltração e baixam o nível da água do subsolo. As atividades urbanas e sua localização, a forma urbana e seus materiais de construção influenciam o nível das enchentes e a sua localização. 6

24 7 CHOW et al. (1988), resumiram os efeitos da urbanização nos processos hidrológicos de duas formas: a) a quantidade de água aumenta na mesma proporção em que aumenta as áreas impermeabilizadas e, como conseqüência, há a redução do volume de água infiltrada; b) a velocidade da drenagem superficial e o pico de enchente aumentam devido a maior eficiência do sistema de drenagem. TUCCI e CLARKE (1998), também tratam da questão da impermeabilização de bacias urbanas, os autores descrevem que com o aumento da densidade populacional, necessitou-se de mais infra-estrutura e de novas técnicas de construção, que afetam diretamente o meio ambiente. A ocupação intensiva tem vários efeitos sobre o ciclo hidrológico como o aumento do escoamento médio superficial, e como conseqüências, o aumento das enchentes, redução da evapotranspiração e do escoamento subterrâneo, aumento da produção de sedimentos e materiais sólidos, degradação da qualidade das águas fluviais e contaminação dos aqüíferos. Para TUCCI (1995), com o desenvolvimento urbano, ocorre a impermeabilização do solo através de telhados, ruas, calçadas e pátios, entre outros. Dessa forma, a parcela da água que infiltrava passa a escoar pelos condutos, aumentando o escoamento superficial. O volume que escoava lentamente pela superfície do solo e ficava retido pelas plantas, com a urbanização passa a escoar no canal, exigindo maior capacidade de escoamento das seções. TUCCI et al. (1993), exemplificam as relações de causa e efeito das atividades urbanas sobre o sistema de drenagem (Tabela 1). Verifica-se que os problemas resultantes dessas atividades referem-se ao mau aproveitamento dos recursos hídricos, controle da poluição e falta de planejamento urbano e estrutural das cidades. 7

25 8 TABELA 1 - CAUSAS E EFEITOS DA URBANIZAÇÃO SOBRE AS INUNDAÇÕES URBANAS. CAUSAS EFEITOS Impermeabilização Redes de drenagem Lixos Redes de esgotos deficientes Desmatamento e desenvolvimento indisciplinado. Ocupação das várzeas Fonte: TUCCI et al. (1993). Maiores picos e vazões. Maiores picos a jusante. Degradação da qualidade da água; Entupimento de bueiros e galerias. Degradação da qualidade da água; Moléstias de veiculação hídrica; Inundações: conseqüências mais sérias. Maiores picos e volumes; Mais erosão; Assoreamento em canais e galerias. Maiores prejuízos; Maiores picos; Maiores custos de utilidades públicas. Para avaliar o impacto da urbanização na Região Metropolitana de Curitiba a SEPL e PROSAM (1996), utilizaram-se de dados de bacias rurais e urbanas para fazerem uma correlação entre vazão média, enchente e a área da bacia, para as estações fluviométricas localizadas no rio Iguaçu e seus afluentes. Concluíram que as sub-bacias mais urbanizadas são as do Belém, Atuba e Palmital, em ordem de ocupação. Ainda segundo os dados fornecidos pela SEPL e PROSAM (1996), a bacia do Belém está totalmente urbanizada no seu trecho superior, enquanto que no seu trecho inferior ainda não está densificada. A segunda bacia mais urbanizada é a do rio Atuba, com forte urbanização na sua parte mais central e densificação tanto para montante como para jusante. Todos esses afluentes são da margem direita do rio Iguaçu, onde se encontra o município de Curitiba. Portanto, os afluentes da margem direita são aqueles que produzem as maiores vazões devido à urbanização. Os efeitos principais da urbanização são o aumento da vazão máxima, antecipação do pico e aumento do volume do escoamento superficial. Esse aumento já chegou a seis vezes no rio Belém, seção Prado Velho (SEPL e PROSAM, 1996). FENDRICH (2005) em seus estudos indica que a taxa de impermeabilização dos solos da bacia do rio Belém, em 1999 era de 77,59%, ano do evento crítico máximo analisado pelo autor, correspondente a uma série histórica de 1987 a No decorrer desta série história o autor (op. cit., 2005), identifica 25 eventos 8

26 9 críticos máximos, fornecendo para estes eventos dados sobre os valores calculados dos tempos de concentração da bacia, duração da chuva crítica, nível da água superficial e vazão máxima superficial. 2. MODELAGEM HIDROLÓGICA E SISTEMAS DE INFORMAÇÃO GEOGRÁFICA (SIG S) A hidrologia aplicada está voltada para os diferentes problemas que envolvem a utilização e preservação dos recursos hídricos, preservação do meio ambiente e formas de ocupação da bacia, sendo uma ciência que se baseia na observação dos processos desenvolvidos no meio ambiente para a análise dos fenômenos naturais encontrados no sistema hidrológico. Para uma melhor compreensão da complexidade dos fenômenos que constituem o sistema hidrológico como as precipitações, evaporação, evapotranspiração, infiltração, escoamentos superficiais, escoamentos subterrâneos e deflúvios têm-se desenvolvido, dentro do campo da hidrologia, diversos modelos que representam a simulação de suas ocorrências. Estes modelos são instrumentos da abordagem sistêmica e devem representar a estrutura dos elementos do sistema. O inter-relacionamento entre seus elementos deve ser uma explicação suficiente do sistema e seu funcionamento. O modelo representa as características da estrutura e funcionamento do sistema, todavia a realidade não estará representada na sua totalidade no modelo (PEREIRA e NENTWIZ SILVA in. GERARDI e MENDES, 2001). De acordo com os autores (op. cit., 2001), o objetivo de se criar um sistema conceitual que, embora sendo independente, corresponda ao mundo real, é, em termos de planejamento, entender a situação atual e suas tendências, antecipar os cenários futuros e avaliá-los para possíveis intervenções que podem ser simuladas no sistema conceitual, antes de aplicada no sistema do mundo real, atendendo a crescente preocupação com a eficiência e com a eqüidade do processo de planejamento. 9

27 10 O processo pode ser pensado como de modelagem de sistema e tem como resultado reduzir detalhes e complexidades do sistema a um modelo que possa ser manipulado e compreendido (PEREIRA e NENTWIZ SILVA in. GERARDI e MENDES, 2001). Para XAVIR DA SILVA (2001), é preciso lembrar, no entanto, que a modelagem ambiental é, por si mesma, complexa. É praticamente impossível lançar luz, ao mesmo tempo e com a mesma intensidade, sobre todos os aspectos da realidade ambiental. Os modelos ambientais representam síntese, que se resolvem segundo a expressão espacial das entidades envolvidas, ou seja, sua distribuição territorial. Como sínteses, constituem-se em uma visão de conjunto, altamente elucitativa do jogo integrado dos fatores físicos, bióticos e sócios econômicos responsáveis pela realidade ambiental (XAVIR DA SILVA, 2001). SANTOS et al. (2001), conceitua os modelos ambientais, como uma descrição matemática de um processo natural físico, químico ou biológico que consistem de equações, gráficos, tabelas e/ou expressões lógicas. Como o modelo é uma simplificação da realidade, ele não pode descrever precisamente todas as variáveis relevantes dos processos. Por isso a incerteza na saída do modelo é inevitável. Segundo ENOMOTO (2004), geralmente os métodos utilizados para o desenvolvimento de modelos são baseados na simulação do sistema físico através de funções matemáticas empíricas ou conceituais. As limitações no uso de modelos hidrológicos residem na qualidade dos dados de entrada e na sua quantidade. As simplificações utilizadas nas formulações matemáticas devem ser analisadas com cuidado pelo usuário. O modelo hidrológico pode ser considerado como uma ferramenta desenvolvida para representar o comportamento da bacia hidrográfica, prever condições futuras e/ou simular situações hipotéticas no intuito de avaliar impactos de alterações. A simulação hidrológica e limitada pela heterogeneidade física das bacias e dos processos envolvidos, o que têm muito contribuído para o desenvolvimento de um grande número de modelos (ENOMOTO, 2004). 10

28 11 Os modelos hidrológicos tradicionais utilizam-se basicamente dos conceitos hortonianos de separação do fluxo, que são observados em bacias de pequena escala. No entanto, à medida que a bacia cresce, os processos se filtram e uma síntese deste comportamento é realizada pelos modelos hidrológicos tradicionais que utilizam as equações de infiltração (COLLISCHONN e TUCCI, 2001). Os autores (op. cit., 2001) afirmam que a maior limitação do uso destes modelos tem sido a dificuldade na representação da distribuição espacial da capacidade de infiltração e da capacidade de armazenamento do solo em grandes áreas. LIANG; LETTENMAIER; WOOD e BURGES (1994) estudando alguns modelos hidrológicos a nível internacional, que simulam a circulação da água na superfície da Terra a partir da transferência de fluxo de energia entre solo-vegetaçãoatmosfera (especialmente do calor latente), verificaram que a topografia do terreno tem efeito significativo na umidade do solo, na produção e velocidade do escoamento superficial e na dinâmica dos fluxos de energia superficial, em áreas de grandes escalas. Segundo os autores (op. cit.,1994) uma linha alternativa desta investigação é o desenvolvimento de modelos hidrológicos mais simplificados, que incorporem processos hidrológicos atuantes tanto na vertical como na horizontal. Por exemplo, modelos que representem a heterogeneidade espacial da vegetação, da topografia do terreno e dos tipos e das camadas do solo. Na visão de PEREIRA e NENTWIZ SILVA in. GERARDI e MENDES (2001), os Sistemas de Informação Geográfica (SIGs), por sua vez, podem ser considerados como modelos de sistema do mundo real. Estes novos modelos, além de cumprir a função dos modelos convencionais (mapas, maquetes, arquivos de dados), acrescentam novos horizontes às atividades de análises, planejamento, projetos e gestão ambiental. Um SIG, então, é um sistema-modelo que representa um outro sistema, sistema do mundo real. O componente mais importante do SIG é a base de dados, que contém o conjunto de dados que representam seu modelo do mundo real e possibilita extrair informações do sistema. Esta base normalmente é formada por dados que vêm de 11

29 12 fontes diversas tais como levantamentos cadastrais, censos, imagens de Sensoriamento Remoto, mapas, levantamentos aerofotogramétricos em outros. Uma vez formada a base de dados, é possível extrair dela diversas informações geográficas na forma de visualizações cartográficas possibilitadas por diversas técnicas (PEREIRA e NENTWIZ SILVA in. GERARDI e MENDES, 2001). Na definição de ROCHA (2000), um SIG é um sistema com capacidade para a aquisição, armazenamento, tratamento, integração, processamento, recuperação, transformação, manipulação, modelagem, atualização, análise e exibição de informações digitais, georreferenciadas, topologicamente estruturada, associadas ou não a um banco de dados alfanumérico. Para TEIXEIRA et al. (1992), em um contexto mais amplo, os SIG s incluemse no ambiente tecnológico que se convencionou chamar de geoprocessamento, cuja área de atuação envolve a coleta e tratamento de informação espacial, assim como o desenvolvimento de novos sistemas e aplicações. A tecnologia ligada ao geoprocessamento envolve equipamentos (hardware) e programas (software) com diversos níveis de sofisticação. PAREDE (1994), ressalta que os SIG s significam muito mais que uma simples codificação, armazenamento e recuperação de dados espaciais. Geralmente, estes dados representam um modelo do mundo real, que permitem realizar simulações com situações especifica, alguns dos quais não seriam possíveis no modelo real. Por isso é importante a capacidade de realidade e a capacidade de transformação do sistema. É esta característica do SIG que o diferencia da cartografia digital e do Sensoriamento Remoto. No que se refere à aplicação de SIG em modelagem hidrológica o autor (op. cit., 1994), aborda que: a) A utilização de SIG s tem possibilitado gerar dados para prever o volume das tempestades rápidas e o tempo de pico na bacia hidrográfica. b) Os SIG s são usados para o ganho de precisão, e velocidade nas análises, já que o cálculo dos parâmetros era iterativo e intensivo. 12

30 13 c) Modelagem de chuvas rápidas pelo método do Soil Conservation Service foi analisada através de métodos convencionais (manuais) e hoje pode ser feito pelo SIG. d) Observou-se que o SIG em todas as fases do processo de modelagem provou ser mais vantajoso que o método manual para modelagem, uma vez que, necessita de cálculos repetitivos, avaliação de cenários da cobertura do solo alternados e alterados, e exame de grandes e/ou numerosos estudos da área. MENDES (1996), estudando a integração de modelos hidrológicos e SIG(s), classifica os modelos em dois tipos: modelos concentrados e modelos distribuídos. Para o autor um modelo é dito concentrado quando os seus parâmetros e variáveis apresentam variação com o tempo, sendo a variabilidade espacial representada com um único valor médio, o que é uma simplificação muito grande da realidade. Já os modelos distribuídos dividem a bacia em elementos que são considerados homogêneos quanto as propriedade avaliadas, representando, além da variável temporal, a variabilidade espacial do sistema físico. Como a distribuição espacial dos dados necessários à aplicação do modelo distribuído é bastante variável, para o autor (op. cit, 1996) os Sistemas de Informação Geográfica (SIGs) se inserem como uma ferramenta que prepara, armazena, atualiza, analisa e apresenta estes dados em conjunto com os outros através da aquisição, manutenção e utilização de um extenso banco de dados referenciados geograficamente. Para cada elemento do ciclo hidrológico WOOD et al., (1988) indicaram uma área representativa elementar (ARE) no contexto da modelagem hidrológica e escala da bacia. As conclusões dos autores foram as seguintes: a ARE existe no contexto de geração do escoamento superficial dentro de uma bacia; a ARE é influenciada pela topografia através do: a) tamanho e forma de subbacias e b) seu papel na resposta hidrológica e; a variabilidade de solos e precipitação entre sub-bacias tem um papel secundário na determinação da ARE. 13

31 14 3. MODELOS HIDROLÓGICOS DE TRANSFORMAÇÃO DE CHUVAS EM VAZÃO Conforme TUCCI et al. (1993), quando não existem dados históricos de vazão ou a série histórica é muito pequena, podem ser usados dados de chuvas para simular picos de vazão de cheias. As chuvas máximas são transformadas em vazões através de modelos matemáticos. A chuva máxima é determinada com base no risco ou no tempo de retorno escolhido. A vazão resultante não possui necessariamente o mesmo risco, se comparada com os métodos estatísticos ou de regionalização de vazões, devido aos diferentes fatores que envolvem a transformação de chuva em vazão. Os principais fatores são as condições iniciais de perda do solo, de escoamento do rio e reservatório, além da distribuição temporal e espacial da chuva (TUCCI et al., 1993). Para SANTOS et al. (2001), a determinação da vazão máxima e do volume de cheia de uma bacia hidrográfica, realizada com base em registros de vazão, depende da existência de séries históricas que sejam: a) longas o suficiente para serem representativas das enchentes no local; b) estacionarias, que são aquelas em que suas estatísticas não se alteram devido às mudanças na bacia. Ainda segundo o autor (op. cit., 2001), como geralmente estas condições não são atendidas, principalmente em bacias urbanas, é usual a utilização de séries de chuvas para simulações de vazões. Os dados de chuvas são mais longos, e, portanto, espera-se que sejam mais representativos, pois não sofrem alterações significativas devido à urbanização. COLLISCHONN e TUCCI (2001) sugerem que as simulações de transformação da chuva em vazão têm grande utilização em recursos hídricos, em diferentes estudos, inclusive no próprio entendimento dos processos envolvidos na parte terrestre do ciclo hidrológico. Os modelos desenvolvidos para descrever esta transformação iniciaram com relacionamentos empíricos entre as variáveis hidrológicas e aprimoram-se com os modelos distribuídos de pequena escala. Ainda 14

32 15 hoje, os modelos dificilmente representam de forma adequada o comportamento físico dos processos em bacias de grande escala. De acordo com o estudo realizado por ENOMOTO (2004), os modelos que transformam chuva em vazão devem descrever a distribuição espacial da precipitação, as perdas por interceptação, evaporação, declividade e depressão do terreno, o fluxo através do solo pela infiltração, escoamento superficial, subsuperficial e nas calhas dos rios. Diversas são as incertezas nas vazões obtidas a partir das chuvas devido às dificuldades encontradas na aplicação dos modelos hidrológicos de transformação de chuva-vazão. Como suas principais dificuldades podem ser citadas: a variedade temporal e espacial das chuvas, a incerteza dos dados coletados por estações pluviométricas e fluviométricas, o fator da escala entre processos pontuais e espaciais e a heterogeneidade da representação dos elementos físicos da paisagem. Um dos métodos mais consagrados de estimativa de vazão máxima, através da transformação da chuva em vazão, é o Método Racional, que engloba todos os processos em apenas um coeficiente. O Método Racional é bastante utilizado para o estudo do pico de cheias em pequenas bacias hidrográficas, sendo a vazão determinada em função da precipitação e das características do recobrimento da bacia. Tem como base principal o emprego da fórmula racional que consiste em: C.i m.a Q p = equação (1) 3,6 onde: Q p = vazão de pico, em m 3 /s; i m = intensidade máxima da chuva sobre toda a área drenada, para tempo de duração igual ao tempo de concentração da bacia, em mm/h; C = coeficiente de deflúvio ou de escoamento superficial (adimensional); A = área da bacia em km 2. 15

33 16 Como o Método Racional é um método desenvolvido para áreas que possuem poucos dados hidrológicos FRANCO (2004), aponta como suas principais premissas: a ausência de escoamento de base, a constância do armazenamento superficial em toda a área da bacia, a constância da intensidade da chuva no tempo e no espaço, além do escoamento superficial hortoniano que é produzido por intensidades de chuvas superiores a capacidade de infiltração. Conforme ainda o autor (op. cit., 2004), essas hipóteses são razoáveis em bacias com pequenos tempos de concentração e, conseqüentemente, em áreas pequenas que permitam considerar que o escoamento na bacia torne-se permanente quando toda a bacia contribui para o escoamento direto. Para FENDRICH et al. (1997), em se tratando de bacias pequenas, o Método Racional somente pode ser aplicado com maior segurança em bacias de até 0,50km 2, restringindo-se a pequenas áreas, devido aos seus princípios básicos que possuem as seguintes hipóteses: a) a duração da chuva intensa é igual ao tempo de concentração da bacia. Sendo a duração da chuva inversamente proporcional à sua intensidade, ou seja, quanto mais intensa for à chuva menor será a sua duração; b) a impermeabilidade das superfícies permanece constante durante a chuva; c) adota um único coeficiente de escoamento superficial para toda a bacia, denominado coeficiente C, estimado com base nas características da bacia; d) a contribuição subterrânea na vazão de pico é desprezível; e) a umidade do solo gerada por chuvas anteriores não afeta a vazão máxima da seção estudada; Embora o Método Racional tenha sido desenvolvido originalmente para determinar a vazão máxima em bacias hidrográficas pequenas, onde o tempo de concentração seja suficientemente curto para que se estabeleça o regime permanente, extensões deste método tem sido desenvolvidas para bacias de médio porte. 16

34 17 O Método Tempo-Área, que é uma extensão do Método Racional, considera uma maior diversidade do uso do solo na bacia hidrográfica. Baseia-se no estabelecimento de uma função que relaciona a área de contribuição de uma bacia ou sub-bacia, ao tempo necessário para que esta contribua à formação da vazão no exutório. Na equação do Método Racional podem ser introduzidos coeficientes de abatimento e fatores de distribuição, para compensar a variabilidade espacial da precipitação, de modo a estender o quanto possível este método a bacias hidrográficas de áreas superiores as estipuladas no Método Racional, na sua forma original. O DER/SP citado por FRANCO (2004), também admite o uso do Método Racional em bacias com áreas até 0,50 km 2. Para bacia com áreas entre 0,50km 2 e 1,0 km 2 propõe o Método Racional modificado, cuja vazão de pico obtém-se multiplicando a expressão original por um fator de ajuste, ou seja, ƒ = A -0,10, sendo ƒ fator de ajuste e A a área da bacia em hectares. De acordo com o autor (op. cit., 2004), a Prefeitura de Porto Alegre/ RS, adota um modelo semelhante, usando na fórmula do Método Racional um coeficiente de abatimento embutido na área da bacia. Onde A 0, 95 0, 90 para áreas de 30 a 50 ha e A para áreas de 50 até 150 ha. Visando melhorar a estimativa da vazão máxima de escoamento superficial em bacias hidrográficas estudadas na região sul de Minas Gerais, EUCLYDES e PICCOLO (1987), citados por PRUSKI; BRANDÃO e SILVA (2004) introduziram um coeficiente, denominado coeficiente de retardo, na equação do Método Racional, passando a vazão máxima de escoamento a ser obtida pela seguinte expressão: C.i m.a Q max = φ equação (2) 3,6 17

35 18 em queφ é o coeficiente de retardamento, adimensional, em relação ao início da chuva. Para os autores (op. cit, 2004), o coeficiente de retardoamento procura corrigir o fato do escoamento superficial sofrer um retardo em relação ao início da chuva. Com a aplicação do coeficiente de retardamento, que varia de zero a 1, procura-se uma compensação para esse efeito, que não é considerado no Método Racional. Nos estudos de EUCLYDES e PICCOLO (1987) apud PRUSKI; BRANDÃO e SILVA (2004), foi ajustada uma equação com coeficiente de correlação igual a 0,70 que permitisse estimar o valor de φ de acordo com a área da bacia: φ = 0,278 0,00034.A equação (3) em que A é a área da bacia, em km 2. Através da aplicação da Equação 3 os autores obtiveram valores de coeficiente de retardamento em relação ao início da chuva, apresentados na Tabela 2, válidos para áreas de 10 km 2 a 150 km 2. TABELA 2 - VALORES DO COEFICIENTE DE RETARDAMENTO φ EM FUNÇÃO DA ÁREA DA BACIA. Área da bacia em (km 2 ) φ , , , , ,23 Fonte: EUCLYDES e PICCOLO in. PRUSKI; BRANDÃO e SILVA (2004). 18

36 19 SOUZA PINTO (1976), apresenta a equação do Método Racional introduzindo um coeficiente de abatimento que refletem o retardamento por armazenamento na bacia, em função das declividades do terreno. Para o autor, a equação do Método Racional pode ser escrita como: Q p C. ϕ.i m.a = equação (4) 3,6 onde: Q p = vazão de pico em m 3 /s; C = coeficiente de deflúvio ou de escoamento superficial; ϕ = coeficiente de retardamento, adimensional, que reflete o efeito de armazenamento da bacia; i m = intensidade máxima da chuva sobre toda a área drenada, para tempo de duração igual ao tempo de concentração da bacia, em mm/h; A = área da bacia em km 2. O escoamento superficial está subordinado aos diversos fatores constituintes da paisagem que irão facilitar ou dificultar a sua ocorrência. Estes fatores estão ligados às características fisiográficas do terreno e ao tipo climático da região, sendo este ultimo, relacionado à chuva. Para VILLELA e MATTOS (1975), dentre os fatores climáticos podem-se destacar a intensidade e a duração da chuva, pois quanto maior a intensidade, mais rápido o solo atinge a sua capacidade de infiltração, provocando um excesso de chuva que escoará superficialmente. Os autores (op. cit., 1975), definem o escoamento superficial ou coeficiente de deflúvio, ou ainda coeficiente de run off, como a razão entre o volume de água escoado superficialmente e o volume de água precipitado. Do total da chuva precipitada em uma bacia hidrográfica, somente uma parcela contribui superficialmente para o aumento do volume de água nos canais de drenagem. Em seu trajeto em direção a superfície terrestre a chuva já sofre perdas iniciais, devido ao processo de evaporação. Da parcela que atinge a esfera terrestre, parte é interceptada pela vegetação ou bacias de retenção, parte umedece o solo, ou 19

37 20 é retida pelas depressões do terreno e uma outra parte, contribui para o escoamento subsuperficial ou se aloja nos depósitos subterrâneos. Segundo FENDRICH et al. (1997), o volume de água escoado em superfície é, então, um resíduo do volume precipitado e a relação entre os dois é o que se denomina, geralmente, coeficiente de deflúvio ou de escoamento superficial. Nos métodos hidrológicos que indicam a relação entre a vazão máxima escoada e a intensidade da chuva, o coeficiente de escoamento superficial é considerado como um dos parâmetros principais, que depende de uma série de fatores, tais como: a) intensidade e quantidade da chuva: à medida que aumenta a quantidade de água precipitada, as perdas iniciais e a capacidade de infiltração do solo são atendidas, aumentando o escoamento superficial; b) tipo de solo: a característica de permeabilidade do solo influi diretamente na capacidade de infiltração, ou seja, quanto mais permeável for o solo, maior será a quantidade de água que ele pode absorver; c) umidade antecedente do solo: a chuva que ocorre quando o solo está úmido ou saturado, devido a uma precipitação anterior, terá maior facilidade de escoamento; d) declividade do terreno: quanto maior a declividade do terreno, mais rápido e maior será o escoamento superficial e menor o seu armazenamento. e) tipo de cobertura superficial do terreno: quanto maior o percentual de áreas impermeáveis, maior será a contribuição do escoamento superficial, para a vazão de cheia. O coeficiente de escoamento superficial pode ser obtido através de tabelas encontradas nas literaturas específicas. PORTO in. TUCCI (1995), reproduz a tabela elaborada por WILKEN (1978). Esta tabela, que define o coeficiente de escoamento em função da cobertura superficial do terreno, foi elaborada para a cidade de São Paulo, sendo usada para um período de retorno de 5 a 10 anos (Tabela 3). 20

38 21 TABELA 3 - COEFICIENTES DE ESCOAMENTO SUPERFIAL ADOTADOS PELA PREFEITURA DE SÃO PAULO E DETERMINADOS POR WILKEN (1978). Zonas C Edificação muito densa: partes centrais, densamente construídas, de uma 0,70 0,95 cidade com ruas e calçadas pavimentadas. Edificação não muito densa: partes adjacentes ao centro, de menor 0,60 0,70 densidade de habitação, mas com ruas e calçadas pavimentadas. Edificações com poucas superfícies livres: partes residênciais com ruas 0,50 0,60 macadamizadas ou pavimentadas. Edificações com muitas superfícies livres: partes residênciais com ruas 0,25 0,50 macadamizadas ou pavimentadas. Subúrbios com algumas edificações: partes de arrabaldes e subúrbios com 0,10 0,25 pequena densidade de construção. Matas, parques e campos de esportes : partes rurais, áreas verdes, 0,05 0,20 superfícies arborizadas, parques ajardinados, campos de esportes sem pavimentação. Fonte: PORTO in. TUCCI (1995). Para utilização de tempos de retornos maiores, os valores dos coeficientes de escoamento superficial podem ser corrigidos pela seguinte equação: 0,1 10 C r = 0,8.Tr.C equação (5) onde: C r = coeficiente de escoamento superficial para o período de retorno desejado; T r = tempo de retorno em anos; C 10 = coeficiente de escoamento superficial para o período de retorno de 10 anos. PORTO in. TUCCI (1995), apresenta também, os valores de coeficientes de escoamento superficial, determinados pela ASCE (1969), estes valores podem ser usados em áreas urbanas (Tabela 4). 21

39 22 TABELA 4 - VALORES DE COEFICIENTES DE ESCOAMENTO SUPERFICIAL POR TIPO DE OCUPAÇÃO (ASCE, 1969). Descrição da área Área comercial Central Bairros Área residencial residências isoladas unidades múltiplas (separadas) unidades múltiplas (conjugadas) lotes > m 2 áreas com apartamentos Área industrial industrias leves industrias pesadas parques, cemitérios playgrounds pátios ferroviários áreas sem melhoramentos Fonte: PORTO in TUCCI (1995). Coeficiente de escoamento superficial 0,70 0,90 0,50 0,70 0,35 0,50 0,40 0,60 0,60 0,75 0,30 0,45 0,50 0,70 0,50 0,80 0,60 0,90 0,10 0,25 0,20 0,35 0,20 0,40 0,10 0,30 TUCCI (2000), em seu trabalho, utilizou-se de valores de coeficientes de escoamento superficial para áreas de superfícies impermeáveis (Ci), conforme o descrito na Tabela 5. TABELA 5 - VALORES DE CI PARA ALGUMAS SUPERFÍCIES IMPERMEÁVEIS. Tipo de superfície Valor médio Ci Cimento e asfalto Paralelepípedo Blockets Concreto e asfalto poroso Solo compacto 0,95 0,60 0,78 0,03 0,66 0,90 0,95 0,58 0,81 0,70 0,89 0,05 0,59 0,79 Fonte: TUCCI (2000). Segundo FENDRICH et al. (1997), em geral, as superfícies dos terrenos não são homogêneas, não sendo, por isso, conveniente adotar um único valor retirado da tabela para toda a área de drenagem. O mais conveniente é adotar um coeficiente composto. O coeficiente composto é dado pela determinação da média ponderada para toda a área da bacia de drenagem, de todos os valores de C das parcelas que a compõem. Tais valores são baseados nas características da superfície e seriam os seguintes (Tabela 6): 22

40 23 TABELA 6 - VALORES DE C BASEADOS NAS CARACTERÍSTICAS DA SUPERFÍCIE. Características da superfície Valores de C Superfícies de telhados. 0,70 a 0,95 Pavimentos. 0,40 a 0,90 Vias macadamizadas. 0,25 a 0,60 Vias e passeios apedregulhados. 0,15 a 0,30 Superfícies não pavimentadas, quintais e lotes vazios. 0,10 a 0,30 Parques, jardins, gramados, dependendo da 0,05 a 0,25 declividade e do subsolo. Fonte: FENDRICH et al. (1997). Para áreas rurais TUCCI (1993), apresenta os valores de C elaborados por WILLIAMS (1949), conforme a topografia, tipo de solo e cobertura do terreno (Tabela 7). TABELA 7 - VALORES DE C PARA ÁREAS RURAIS. Tipo de área 1. Topografia terreno plano, declividade de 0,2 a 0,6 m/km terreno com declividade de 3 a 4 m/km morros, declividade de 30 a 50 m/km 2. Solo argila impermeável permeabilidade média arenoso 3. Cobertura área cultivada árvores Fonte: TUCCI (1993). Valor de C 0,10 0,20 0,30 0,40 0,20 0,10 0,20 0,10 Os coeficientes C também podem ser definidos em função da relação entre o volume total de escoamento superficial de um evento, e o volume total precipitado, através de fórmulas que representam está relação. Estas fórmulas permitem uma melhor análise do impacto das áreas impermeáveis no aumento do pico de vazão de cheias, auxiliando no zoneamento do espaço urbano. Considerando uma bacia urbana onde podem existir dois tipos de superfícies, as superfícies permeáveis e as superfícies impermeáveis TUCCI (2000), estima o coeficiente de escoamento com base na seguinte expressão: 23

41 24 C p.a p + C i.a i C = equação (6) A t onde: C p é o coeficiente de escoamento de áreas permeáveis; A p é a parcela da bacia com superfícies permeáveis; C i é o coeficiente de escoamento de áreas impermeável; A i é a parcela da bacia com superfícies impermeáveis. A expressão a cima pode ser transformada para: C p ( C C ) A i + i p equação (7) A t onde AI = A i /A t representa a parcela de áreas impermeáveis. A partir de diversas fontes literárias, o autor (op. cit., 2000) realiza uma correlação entre áreas impermeáveis e coeficiente de escoamento superficial, a partir de amostras de 12 bacias brasileiras, com diferentes graus de urbanização e de tamanho (Tabela 8). Ai % C Fonte Nº. de eventos TABELA 8 - CARACTERÍSTICAS DE BACIAS URBANAS BRASILEIRAS. Bacia Cidade Área da bacia km 2 Bela Vista Dilúvio/Ipiranga (a) Dilúvio/Ipiranga (b) Beco do Carvalho Cascata Casa de Portugal Agronomia Jaguarão Mathias Belém/ Prado Velho Meninos Gregório Porto Alegre Porto Alegre Porto Alegre Porto Alegre Porto Alegre Porto Alegre Porto Alegre Joinville Joinville Curitiba São Paulo S. Carlos 2,6 25,5 25,5 3,4 7,6 6,7 17,1 6,5 1, ,7 15,6 50,4 19, ,6 16, ,58 0,16 0,37 0,16 0,15 0,09 0,11 0,137 0,23 0,42 0,37 0, Silveira (1999); 2- Santos et al. (1999); 3- Diaz e Tucci (1987) e 4 Germano (1998). (a) condições urbanas de 1979 a 1982; (b) condições urbanas de 1996 a Fonte: TUCCI (2000). 24

42 25 FENDRICH (2002), analisando a revisão literária feita por CAMPANA (1995), constatou que os modelos matemáticos de simulação hidrológica, usados para quantificar o escoamento em áreas urbanas, incluem na sua estrutura o parâmetro fração de áreas impermeáveis, separando o escoamento em superfícies permeáveis e impermeáveis, respectivamente. Notou, porém, que pela carência de dados, essa potencialidade dos modelos não pode ser aproveitada, e fração de áreas impermeáveis transforma-se em mais um parâmetro de ajuste. Esta situação confirma a necessidade de se orientar esforços no sentido de identificar novas metodologias que permitam a quantificação mais precisa desse parâmetro. Segundo o autor (op. cit., 1995), e citado por FENDRICH (2002) a tecnologia espacial de Sensoriamento Remoto oferece grande potencial a este respeito. O escoamento superficial direto, ou chuva excedente é, a parcela da chuva total que escoa inicialmente pela superfície do solo. Para TUCCI (1995), a chuva excedente é a maior responsável pelas vazões de cheias, sendo calculada diretamente por meio de relações funcionais que levam em conta o total precipitado, o tipo de solo, sua ocupação e a umidade antecedente, entre outros fatores. Exemplos típicos de métodos que consideram a relação funcional do total precipitado com o tipo de solo, sua ocupação e umidade antecedente são os consagrados métodos do número da curva do Soil Conservation Service e do coeficiente de escoamento superficial. Além do Método Racional, outros métodos de uso consagrado na hidrologia urbana, que transforma chuva em vazão, são os métodos baseados na teoria do hidrograma unitário, cuja utilização se recomenda para bacias de médio porte. Conforme TUCCI (1993), a distinção entre pequenas bacias e bacias de médio porte será sempre imprecisa e dependente de certo grau de subjetividade, dada a natural variação dos parâmetros que influem no comportamento hidrológico da bacia. Os critérios mais comuns, entretanto, classificam como bacia pequena aquela cuja área de drenagem seja inferior a 2,5 km 2 ou o tempo de concentração seja inferior a 1 hora. Para bacias médias os limites superiores são, respectivamente, km 2 e 12 horas. 25

43 26 Nos métodos baseados no hidrograma unitário, a vazão de pico e/ou o hidrograma de projeto são determinados a partir de uma tormenta de projeto, sendo descontadas as diversas perdas que ocorrem durante o percurso d água, até atingir a seção de interesse. O Método de Ven Te Chow Soil Conservation Service (SCS) utilizando-se das hipóteses do hidrograma unitário, considera o fenômeno de transformação de chuva em vazão com a premissa que as vazões de cheias são proporcionais às chuvas efetivas. Para tal consideração, Ven Te Chow verificou que os dados empregados no Método do hidrograma unitário sintético do Soil Conservation Service, podem ser usados na avaliação do excesso de chuva ou do número de deflúvio. Segundo SAMPAIO (1971), o Método de Ven Te Chow apresenta as seguintes vantagens: a) possui fundamentos analíticos porque é desenvolvido a partir de sólidos princípios hidrológicos. Quem o emprega pode seguir o processo do seu desenvolvimento, obtendo-se um conhecimento total dos princípios hidrológicos em que o mesmo se baseia; b) os dados em que se baseia o método são admissíveis para aplicação às condições do local em consideração; c) a aplicação do método pode ser simplificada pelo emprego de monogramas e tabelas; d) o método pode ser melhorado por meio de análises complementares e pesquisa, mediante a acumulação de dados de chuvas e de deflúvios, e experiência no campo. Sendo baseado em princípios analíticos, as melhorias citadas não alterarão o programa básico, porque implica somente na modificação de curvas e diagramas que dependem da parte qualitativa dos dados de entrada. Como sua principal desvantagem, o autor (op. cit., 1971) cita o fato da vazão de projeto, por ele determinada, ser baseada em uma dada freqüência de chuva, em vez de deflúvio. A intensidade da chuva considerada na aplicação dos métodos que transformam precipitação em vazão é a intensidade máxima média observada num 26

44 27 certo intervalo de tempo, para um período de retorno determinado, sendo um resultado do valor médio da chuva, no tempo e no espaço. A intensidade máxima média da chuva geralmente é definida através de características estatísticas, observadas em um certo local, sendo determinadas pelas variáveis aleatórias de intensidade média e/ou altura da chuva, que são funções de dois parâmetros básicos: 1) tempo de recorrência ou perido de retorno e; 2) duração da chuva (em minutos). Defini-se o tempo de recorrência ou período de retorno como sendo o período de tempo médio (medido em anos) em que um determinado evento deve ser igualado ou superado, pelo menos uma vez. O período de retorno é o inverso da probabilidade de pelo menos um evento de intensidade igual ou superior ocorra em um ano qualquer e é definido de acordo com o objetivo do estudo. A duração da chuva é igual à duração do evento pluvial analisado, de um determinado período de retorno, que conduza a máxima vazão do rio. Para FRANCO (2004), a máxima vazão do rio deve ser longa o suficiente para que toda a área contribuinte da bacia venha aumentar o pico de vazão de cheia na seção em estudo. Durante a aplicação do Método Racional, em seus estudos, FRANCO (2004) chama a atenção para a importância de se considerar a duração da chuva igual ao tempo de concentração. Segundo o autor, se considerar um intervalo de tempo menor que o tempo de concentração, haverá variações da intensidade com conseqüentes variações da vazão no exutório da bacia. Assim, muitos pesquisadores entendem a necessidade de limitar a duração da chuva igual ao tempo de concentração da bacia. Conforme SOUZA PINTO (1976), as chuvas são tanto mais raras quanto mais intensas forem. Para considerar a variação da intensidade com o período de retorno, é necessário fixar, a cada vez, a duração a ser considerada. Assim, a intensidade da chuva máxima é estimada através da determinação da curva de intensidade- 27

45 28 duração-freqüência (ou tempo de recorrência), deduzida de observações de chuvas intensas durante um longo período de tempo e representativo dos eventos extremos do local em análise. Tendo como principio básico que na determinação da curva de intensidadeduração-freqüência (curva de I-D-F), é preciso ajustar uma distribuição estatística aos valores anuais de chuva para cada duração TUCCI (1993), descreve uma seqüência metodológica para a confecção do gráfico de curva de I-D-F, que consiste nas seguintes etapas: 1 ) para cada duração são obtidas as chuvas máximas anuais com base nos dados do pluviógrafo; 2 ) para cada duração mencionada é ajustada uma distribuição estatística; 3 ) dividindo a chuva pela sua duração, obtém-se a intensidade; 4 ) as curvas resultantes são as relações de I-D-F. A relação entre intensidade-duração-freqüência é representada pela expressão: b a.tr i = equação (8) m ( t + c) d onde: i m = intensidade máxima da chuva sobre toda a área drenada, para tempo de duração igual ao tempo de concentração da bacia, em mm/h; T r = tempo de recorrência, em anos; t = duração da chuva, em min, considerada igual ao tempo de concentração da bacia; a, b,c e d = parâmetros determinados para cada região geográfica. No aspecto relacionado à determinação da intensidade máxima média da chuva, Curitiba conta com uma série de equações que determinam chuvas intensas. Na Tabela 9 são apresentadas algumas equações elaboradas para a cidade de Curitiba. 28

46 29 TABELA 9 - EQUAÇÕES PARA DETERMINAR A INTENSIDADE MÁXIMA MÉDIA DAS CHUVAS EM CURITIBA-PR. Autor Equação Elaboração Parigot de Souza (1959) Fendrich e Freitas (1989) i m i m 5950T = ( t + 26) 0,217 1, ,07. T = ( t + 26) d 0,258 r 1,010 Fendrich 5726,64. Tr (2000) i m = 1, 041 ( t + 41) d 0,159 Através da relação de intensidade, duração, freqüência de dados da estação de Curitiba entre 1921 a A equação é valida para duração de 5 mim a 2 horas. Através da relação de intensidade, duração, freqüência de dados da estação do Prado Velho (Curitiba-PR) entre 1981 a A equação é valida para duração de 10 mim a 24 horas. Revisada da equação de Fendrich e Freitas (1989), através de dados da estação do Prado Velho (Curitiba-PR) entre 1981 a A equação é valida para duração de 10 mim a 24 horas. O intervalo de tempo que corresponde à situação crítica, ou seja, à duração da chuva a ser considerada (t d ), para o Método Racional, será igual ao tempo de concentração desta na área da bacia. Para SILVEIRA (2005), o tempo de concentração é um parâmetro hidrológico que surge da hipótese que a bacia hidrográfica responde como um sistema linear para o escoamento superficial direto. Decorre desta hipótese a definição de tempo de concentração como o intervalo de tempo, contado a partir do início da chuva, para que toda a bacia esteja contribuindo na seção de saída. Nesta condição hipotética de resposta linear da bacia o tempo de concentração é o tempo de equilíbrio quando se estabelece o regime permanente entre uma chuva efetiva de intensidade constante e o escoamento e o escoamento superficial direto dela decorrente. Ainda conforme o autor (op. cit., 2005), o tempo de concentração, como parâmetro hidrológico invariável, pode ser definido como o tempo necessário para uma gota d água caminhar superficialmente do ponto mais distante (em percurso hidráulico) da bacia até o seu exutório. Segundo PORTO in. TUCCI (1995), o tempo de concentração é, ao lado do coeficiente de escoamento superficial, um dos parâmetros cruciais na aplicação do 29

47 30 Método Racional. Este parâmetro representa o tempo de percurso da água, desde o ponto mais distante da bacia até a seção de interesse. De acordo com FRANCO (2004), se a duração de uma chuva de intensidade constante excede o tempo de concentração, toda a área da bacia passa a contribuir para o escoamento. A vazão máxima é atingida neste tempo, e a partir daí, torna-se constante (regime permanente). Ainda segundo o autor, é importante selecionar fórmulas adequadas para determinar o tempo de concentração em função da urbanização e do tamanho da bacia hidrográfica. Nas literaturas que tratam de temas referentes à hidrologia são apresentadas diversas fórmulas empíricas para o cálculo do tempo de concentração, sendo estas, elaboradas em função de características físicas da bacia, da sua ocupação e, eventualmente, da intensidade da chuva. SILVEIRA (2005), chama atenção para uma incerteza prática na definição do tempo de concentração, que muitas vezes afeta a gênese das fórmulas de cálculo. Normalmente, as medidas ou observações do tempo de concentração, das mais sofisticadas (com traçadores diversos) às mais pragmáticas (via análise de hietograma, hidrograma ou somatória de tempo de trânsito), podem superestimar o tempo de concentração, caso refira-se ao escoamento superficial com baixa carga hidráulica. No confronto de informações disponíveis sobre a origem das fórmulas e limitações teóricas, com o desempenho obtido em aplicações a bacias urbanas e rurais, com os dados observados, o autor (op. cit., 2005) verificou que é possível o uso de fórmulas de tempo de concentração para uma faixa de áreas de bacia muito superior às usadas em sua calibragem, sobre tudo em bacias rurais. No caso de bacias urbanas, as fórmulas com melhor desempenho mostraram uma faixa de erro maior do que as correspondentes em bacias rurais, restringido, na maioria, a áreas menores do que aquelas que foram recomendadas. Quanto à variabilidade espacial da chuva, em uma região, esta dificilmente segue um padrão físico identificável, além disso, a configuração espacial muda rapidamente com os intervalos de tempos sucessivos do evento chuvoso. Em suma, há normalmente, durante a ocorrência de uma chuva, uma grande quantidade de 30

48 31 núcleos de precipitação que nascem, crescem, deslocam-se e desaparecem sobre a área da passagem da chuva, que impede a emergência de uma estrutura espacial estável (SUDERHSA e SEMA, 2002). Como a chuva em uma bacia é dificilmente uniforme, torna-se necessário à correção do valor da chuva máxima, através da redução desta em relação ao tamanho da bacia hidrográfica. Este fenômeno pode ser contornado com a abordagem geoestatística, que utiliza uma correlação espacial dos eventos chuvosos no entorno do ponto de máxima precipitação. Através de ajustes de correlações espaciais de chuvas na região de Porto Alegre, utilizando-se do Método de Lebel e Laborde, que é baseado na função de variograma da geoestatística, para representar a estrutura espacial da chuva, SILVEIRA (2001) estabelece uma equação para o cálculo de coeficientes de abatimento de distribuição da chuva, simplificada na seguinte expressão: A α = 1 0,25 equação (9) β Onde β é o alcance do variograma, cujo o valor pode ser estimado por: n β = a.t equação (10) sendo: t a duração da chuva; a e n parâmetros a ajustar. 31

49 32 4. MEDIDAS DE CONTROLE DE INUNDAÇÕES Conforme a SUDERHSA e SEMA (2002), as ações ou medidas estruturais são obras de engenharia implementadas para reduzir o risco das enchentes, e podem ser extensivas ou intensivas. As medidas extensivas são aquelas que agem no contexto global da bacia, procurando, modificar as relações entre chuvas e vazões, como a ampliação da cobertura vegetal do solo, que reduz e retarda os picos de enchentes e controla a erosão da bacia. Já as medidas intensivas são aquelas que agem nos cursos d água e superfícies e podem abranger: - obras de contenção como diques e pôlders; - aumento da capacidade de descarga com retificações, ampliações de seção e corte de meandros de cursos d água, desvio do escoamento por canais e; - retardamento e infiltração, como reservatórios, bacias de amortecimento e dispositivos de infiltração no solo. Para CORDEIRO; MEDEIROS e TERAN (1999), o critério de classificação das medidas de controle das cheias é aquele que se subdivide em duas categorias: as soluções estruturais e não estruturais. As primeiras influenciam na estrutura da bacia, seja na sua extensão (medidas extensivas), mediante intervenções diretas na sua sistematização hidráulico-florestal e hidráulico-agrário, seja localmente (medidas intensivas), mediante obras com o objetivo de controlar as águas, como, por exemplo: reservatórios, caixas de expansão, diques, pôlders, melhoramento do álveo, retificações, canais de desvio, canais paralelos e canais extravasores. Por outro lado, as medidas não-estruturais consistem na busca da melhor convivência do homem com o fenômeno das enchentes. Os autores (op. cit., 1999), apresentam um esquema das principais medidas estruturais e não estruturais para controle das cheias, estas medias estão ilustradas no fluxograma da Figura 1. 32

50 33 FIGURA 1 - FLUXOGRAMA DE MEDIDAS PARA CONTROLE DAS CHEIAS Controle das Cheias Estruturais Não - Estruturais Medidas Intensivas Medidas Extensivas Sistemas de alerta Reservatórios Hidráulico-florestal Sistemas respostas Caixas de expansão Diques Pôlders Hidráulico-agrário Educação Seguros contra enchentes Mapas de inundações Melhoramento do álveo Retificações Canais de devios Canais paralelos Canais extravasores Fonte: CORDEIRO; MEDEIROS e TERAN (1999). Quanto à redução dos impactos das inundações em Curitiba e RMC a SUDERHSA e SEMA (2002), propõe no Plano Diretor de Drenagem para a Bacia do Rio Iguaçu, além das intervenções estruturais, medidas e ações não estruturais a serem aplicadas através de mecanismos de disciplinamento do uso do solo urbano; plano de ação para a proteção da população, em um sistema institucional de gestão. 33

51 34 A Tabela 10 apresenta uma síntese das principais medidas não estruturais proposta pela SUDERHSA e SEMA (2002), para a região do alto Iguaçu. É importante enfatizar aqui, que estas medidas não estruturais, na maioria dos casos, requerem investimentos baixos para serem implementadas se comparadas com as medidas estruturais. TABELA 10 - SÍNTESE DAS MEDIDAS NÃO ESTRUTURAIS. Medida Características Benefícios Necessidade de Legislação Previsão e alerta em tempo real. Plano de defesa civil. Zoneamento de áreas de inundação ribeirinhas Controle da vazão máxima Regressões a ocupação de áreas de risco de erosão. Incentivo a manutenção de áreas permeáveis. Controle da qualidade da água. Prevê com antecedência de algumas horas ou até 1 dia as cotas de inundações no rio Iguaçu. Preparar a Defesa Civil para as conseqüências das inundações ribeirinhas e para as áreas críticas urbanas. Mapeamento das áreas de risco; relação da população instalada em áreas de risco; desenvolvimento de projetos para uso publico tais como parques lineares. A vazão máxima de um novo desenvolvimento não pode exceder a de condições de predesenvolvimento. Mapeamento das áreas de risco; desenvolvimento de projetos de sistemas de contenção; relocação da população instalada em áreas de risco; controle e fiscalização de obras de terraplenagem. Incentivar a manutenção de uma área permeável em meio às áreas desenvolvidas. Avaliação da qualidade da água; controle da qualidade da água na macro drenagem. Redução das perdas pela remoção da população e seus bens. Minimização dos impactos sobre a população pela antecipação de ocorrências através da previsão e alerta em tempo real. Preservação de áreas naturais de amortecimento e verde e de lazer próximas à malha urbana. Evitar a transferência de aumento de cheias para jusante na drenagem. Redução do assoreamento do sistema de macro drenagem e do impacto sobre a população e suas propriedades. Redução do aumento do escoamento; melhoria da qualidade da água; melhoria do ambiente urbano. Melhoria da qualidade das águas a jusante. Não Não Sim Sim Sim Sim Sim 34

52 35 CONTINUAÇÃO DA TABELA 10 - SÍNTESE DAS MEDIDAS NÃO ESTRUTURAIS. Medida Características Benefícios Necessidade de Legislação Educação e capacitação técnica. Manual de drenagem urbana. Atualização do cadastro do sistema. Programa de limpeza urbana. Administração Fonte: SUDERHSA e SEMA (2002). Educar a população, profissionais que desenvolvem a cidade; projetistas de drenagem na RMC. Manual de drenagem urbana voltado aos engenheiros responsáveis pela aprovação de novos empreendimentos e pelo desenvolvimento de projetos de drenagem na RMC. Implantar programas de cadastro do sistema de macrodrenagem inserindo as informações levantadas no SIGRH- Sistemas de informações de Recursos Hídricos. Avaliar a carga de resíduos que chega a drenagem; planejar a sua redução pelo aumento da freqüência de limpeza e disposição final do lixo. Avaliação dos projetos, fiscalização e operação e manutenção dos sistemas de drenagem e ocupação das áreas ribeirinhas. Melhor entendimento dos impactos e apoio no controle e fiscalização do planejamento das cidades. Possibilitar a aplicação dos princípios propostos no Plano Diretor de Drenagem através de um instrumento de apoio técnico para projetos de obra de drenagem. Melhorar o conhecimento do sistema existente possibilitando uma atualização mais eficaz sobre seus pontos críticos. Evitar o entupimento do sistema de drenagem e inundações localizadas em trechos obstruídos. Preservar o que foi planejado para a cidade dentro da sua sustentabilidade. Não Não Não Não Não 35

53 36 CAPÍTULO 3 DESCRIÇÃO DA ÁREA DE ESTUDO 1. LOCALIZAÇÃO A bacia hidrográfica do rio Atuba está localizada no Primeiro Planalto Paranaense, mais especificamente no Planalto de Curitiba entre as coordenadas de 25º17 00 e 25º30 00 latitudes sul e; 49º17 00 e 49º10 00 longitudes oeste. A área é limitada à leste pela bacia hidrográfica do rio Palmital, a oeste pela bacia do rio Belém, ao sul pelo rio Iguaçu e a norte pelo município de Colombo, onde se encontram as suas nascentes. O rio Atuba, pertence à bacia hidrográfica do Rio Iguaçu sendo afluente da margem direita do mesmo. Com uma área de 127,43 km 2 a bacia do rio Atuba abrange a porção nordeste do município de Curitiba e, sua área de drenagem engloba além de Curitiba partes dos municípios de Pinhais, Colombo, Piraquara, São José dos Pinhais e Almirante Tamandaré (Figura 2). O canal principal com cerca de 32,43 km de extensão possui boa parte do seu percurso e de seus afluentes canalizados, tendo como afluente principal o rio Bacacheri. Os principais acessos à área se fazem pela rodovia BR-277, que passa ao lado de sua foz e, pela rodovia BR O acesso também é possível pela PR-417, além de outras vias asfaltadas do município de Curitiba. 36

54 37 FIGURA 2 - LOCALIZAÇÃO DA ÁREA DE ESTUDO Brasil 25º Colombo Almirante Tamandaré 29º Bacia do Atuba Pinhais Paraná RMC Curitiba Curitiba Piraquara 25º São José dos Pinhais N KM 2. GEOLOGIA A bacia hidrográfica do rio Atuba é formada por rochas metamórficas do Grupo Açungui de idade pré-cambriana, correspondente aos mármores, filitos, quartzitos e e pelas rochas do Complexo Migmatítico - Gnáissico, cortadas por diques de rochas básicas intrusivas de idade Mesozóica. Na área, são verificados também depósitos recentes ao longo das margens do rio principal, constituídos pelos terrenos aluvionais e coluvionares do quaternário-terciário. Com suas nascentes localizadas na região Serrana do Grupo Açungui e seguindo em direção à Bacia Sedimentar de Curitiba, o rio Atuba percorre trechos de migmatitos, penetrando mais adiante na Formação Guabirotuba e na região de aluviões e colúvios do Holoceno, onde deságua no rio Iguaçu. Com base na distribuição de sua litologia, a área em estudo foi dividida em 4 unidades geologicamente distintas, ilustradas na Figura 3 e descritas a seguir: 37

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56 39 a) Complexo Migmatíticos - Gnáissico Ocorre na porção do alto ao médio curso da bacia do Rio Atuba, mantendo contato com o Grupo Açungui e Formação Guabirotuba. Suas principais características litológicas são os gnaisses-granodioritos migmatizados e gnaisses-granitos migmatizados do Proterozóico Inferior. O Complexo Migmatítico Gnáissico conforme LOPES (1966), é constituído de embrechitos e embrechitos epibólicos, com faixas de rochas embrechíticas alternadas com faixas de material quartzo-feldspáticas, ou seja, são rochas heterogêneas, compostas de porções de rochas cristalofilanas feldspátizadas, alternadas com lentes de quartzo feldspáticos. Possuem uma granulação variável podendo ir desde grosseira nas fácies pegmatóides, até muito finas. b) Grupo Açungui Aparece no extremo norte da área em estudo, tendo como principais ocorrências litológicas os mármores, filitos e quartzitos datados do Proterozóico Superior. Conforme LOPES (1966), os filitos apresentam uma coloração esverdeada, podendo ser castanhos, cinza-esverdeados, cinza claros e avermelhados. São rochas muito folheadas, de brilho sedoso, com granulação fina e textura granoblastica e xistosa. Os quartzitos são rochas ricas em minerais de quartzos, sendo comum a presença de fraturas devido a sua grande competência que, muitas vezes são preenchidas por sílica remobilizada. Além dos quartzitos ricos em minerais de quartzos, temos os intermediários, como os quartzitos xistosos, xistos quartziticos, quartzitos calcários e outros (LOPES, 1966). Na região de domínio do Grupo Açungui são encontradas algumas elevações com rochas mais resistentes, sobressaindo o nível geral do Planalto, que originam formas de relevo em hog-backs, dispostos segundo as direções dos dobramentos. 39

57 40 Esses hog-backs são constituídos por quartzitos, devido a sua maior resistência, formando cristas mais altas e alongadas (espigões alongados), com direção NE-SW, além de inselbergs locais. O grupo Açungui encontra-se intrudido por diques de diabásios, direcionados para noroeste. A idade das intrusões dos diques de diabásio é Jurássico-Cretáceo, com direção N40ºW a N60ºW, com algumas variações (LOPES, 1966). c) Bacia Sedimentar de Curitiba A Bacia Sedimentar de Curitiba compreende a Formação Guabirotuba e sedimentos mais recentes colúvio-aluvionares do Holoceno, depositados pelo rio Iguaçu e seus tributários. As suas formações e unidades geológicas estão depositadas sobre rochas cristalinas do Complexo Atuba. De acordo com SALAMUNI (1998), a coluna estratigráfica da Bacia de Curitiba pode ser descrita a partir dos depósitos mais recentes do Quaternário superior e Holoceno, aos mais antigos do Proterozóico Inferior ao Arqueano do complexo Atuba, como apresentados na Tabela 11. TABELA 11 - COLUNA ESTRATIGRÁFICA DA BACIA DE CURITIBA. IDADE Quaternário (superior) Holoceno Quaternário (inferior) Pleistoceno a Holoceno Terciário (médio a superior)- Mioceno a Plioceno Jurássico Cretáceo Proterozóico superior a Cambriano Proterozóico superior Proterozóico inferior a Arqueano Fonte: SALAMUNI (1998). UNIDADES GEOLÒGICAS Aluviões e depósitos coluvionares secundários Formação Tinguis Formação Guabirotuba Formação Serra Geral Maciços graníticos da Serra do Mar Grupo Açungui (Formação Capiru) Complexo Atuba (Complexo Costeiro redefinido) 40

58 41 Formação Guabirotuba Composta por diversos tipos de sedimentos como argilas (argilitos), arcósios e areias finas, a Formação Guabirotuba aparece na porção do médio ao baixo curso da bacia do rio Atuba. Sua espessura média é calculada em torno de 40 m, variando desde 1 m até o máximo de 80 m. Segundo SALAMUNI (1998), as maiores espessuras estão localizadas na porção central e centro-sudeste da bacia de Curitiba, onde estão situadas as depressões que formam a calha principal da mesma, e as menores espessuras encontram-se nas suas bordas. BECKER (1982), subdividiu a Formação Guabirotuba, sugerindo a denominação de Formação Tinguis para a porção superior deste pacote sedimentar, ratificando as observações de BIGARELLA et al. (1975). A Formação Tinguis é definida como o retrabalhamento dos sedimentos arenosos, arcosianos e síltico-argilosos, da própria Formação Guabirotuba, sendo estes intemperizados em clima semi-árido. Quanto à distribuição faciológica os sedimentos mais grossos, encontram-se depositados na porção leste da bacia, ou seja, próximos às encostas da Serra do Mar. Em contrapartida, os sedimentos mais finos estão posicionados mais a oeste, ou seja, na área urbana de Curitiba, a norte e a sul e em menor parte, a oeste da maior concentração urbana (SALAMUNI, 1998). d) Sedimentos Colúvio-Aluvionares do Holoceno Aparecendo a jusante da bacia do rio Atuba, ao longo do rio principal, esta unidade é composta por terrenos arenosos e siltíticos, com pouca freqüência de camadas argilosas. Nas áreas de várzeas salientam-se camadas de argilas turfosas, com quantidades variáveis de matéria orgânica. A espessura destes depósitos recentes não ultrapassa os 15m. 41

59 42 Os sedimentos estão dispostos em fraca discordância sobre as rochas do Complexo Cristalino (BIGARELLA et al.,2003). 3. GEOMORFOLOGIA A partir da litologia local e do predomínio das formas de relevo, a área em estudo pode ser dividida em quatro unidades geomorfológicas distintas, conforme proposta adaptada de SALAMUNI (1998) em: I - Sistema de Planícies Aluvionais; II - Sistema de Colinas (unidades de topos alongados); III - Sistema de Colinas (unidades de topos planos) e; I V - Sistema de Morros. Sistema de Planícies Aluvionais: Localizado na porção sul da bacia do rio Atuba, o Sistema de Planícies Aluvionais, possui um relevo praticamente plano a suave ondulado, com baixas declividades, menores que 10%, onde sobressaem colinas suavemente onduladas. Esta unidade geomorfologica é constituída pelos terrenos aluvionares e depósitos coluvionares do Holoceno, possuindo depósitos sedimentares pouco entalhados e terrenos sujeitos a alagamento. O padrão de drenagem é paralelo com baixa densidade fluvial e fraca assimetria entre os seus canais de drenagem. Sistema de Colinas (Unidades de Topos Alongados): O Sistema de Colinas com unidades de topos alongados situa-se na parte central da área em estudo. Apresenta um sistema de relevo constituído por colinas orientadas na direção N-S e NE-SW. 42

60 43 Nesta unidade o processo de entalhamento e a dissecação da paisagem são lentos no desenvolvimento das formas de relevo. As vertentes possuem declividades moderadas de 10% a 20% no domínio da Formação Guabirotuba e Complexos Migmatíticos. A rede de drenagem é geralmente paralela a sub-dendrítica, com densidade média. Sistema de Colinas (Unidades de Topos Planos): O Sistema de Colinas com unidades de topos planos aparece na porção centro-norte da bacia, com um relevo em forma de colinas bem arredondadas, tipo meia laranja. Suas vertentes são suaves, côncavas em geral, com entalhamento e dissecação pouco profundos e declividade média de 20% a 30%. Situada sobre os Complexos Migmatíticos, esta unidade é a que apresenta maior densidade fluvial, com padrão de drenagem sub-dendrítico e sub-retangular. Sistema de Morros: O Sistema de Morros corresponde à região do Grupo Açungui; aparece no extremo norte da área da bacia, na região das nascentes do rio Atuba. O relevo desta unidade é formado por morros de cristas estreitas e alongadas com direção para NE-SW, podendo apresentar direções NW-SE. O padrão de drenagem que predomina é moderadamente retangular a treliça, estando, geralmente, adaptado às estruturas locais. 4. PEDOLOGIA As descrições das classes e respectivas unidades de solos mapeadas na área em estudo se basearam no Boletim Técnico de Levantamento de Reconhecimento dos Solos do Estado do Paraná, realizado pelo convenio EMBRAPA, SUDESUL, 43

61 44 IAPAR e GOVERNO DO ESTADO (1984), tendo como ênfase o levantamento das suas principais características físicas. Estas características são as que mais influenciam na permeabilidade, circulação e armazenamento da água no solo, que são aspectos cruciais na determinação dos grupos hidrológicos. Apesar da existência da nova classificação dos solos propostas pela EMBRAPA (1999), optou-se neste trabalho por manter a classificação antiga, devido as dificuldades na troca das novas terminologias. Até o segundo nível taxonômico é possíveis relalizar uma simples troca de nomenclaturas, desde que se disponha, de um certo grau de conhecimento dos solos e uma análise detalhadas das características descritas pela Embrapa (1984). Do terceiro nível taxonômico em diante, torna-se necessária à realização de análises físicas e químicas das propriedades dos solos em laboratório, que não é objetivo deste trabalho. Dessa forma, preferiu-se manter a antiga classificação, para não incorrer em simplificações inadequadas durante as descrições. Devido ao tamanho da escala original da carta de solos da EMBRAPA e IAPAR (1984) e para se obter um melhor detalhamento e delimitação das classes de solos nela observadas, houve a necessidade de realizar o ajuste da carta de solos, confeccionada para a bacia hidrográfica do rio Atuba. O ajuste ocorreu através da sobreposição das unidades de solos mapeadas pela EMBRAPA e IAPAR (1984), com as cartas de geologia e de declividade confeccionadas para a bacia, observando sempre, as descrições de cada unidade de solo quanto a litologia presente, declividade e formas de relevo predominantes, para verificar e redefinir os polígonos que representam cada unidade mapeada. Tendo por base o estudo de KERTMAN e COSTA in. ABGE e IPT (1995), procurou-se realizar também uma descrição de problemas geotécnicos referentes a encharcamento e drenagem das classes de solos mapeadas, relacionadas à boa permeabilidade ou não da água superficial que é um dos focos principais deste trabalho. As descrições das classes de solos da área de estudo são apresentadas a seguir e a Figura 4, mostra a carta de solos da bacia hidrográfica do rio Atuba, com as suas respectivas unidades de solos mapeadas. 44

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63 DESCRIÇÃO DAS CLASSES DE SOLOS LATOSSOLO VERMELHO AMARELO Os latossolos vermelho amarelo são solos minerais, com perfis bem desenvolvidos e profundos. Apresentam horizontes B latossólicos, de textura argilosa, coloração vermelho-amarelada, porosos, bem drenados e com seqüência de horizontes A, B, C. Possuem um baixo conteúdo de silte e baixa relação silte argila. O horizonte A, apresenta, geralmente espessura de 30 a 80 cm, e coloração variável com o teor de matéria orgânica. A textura é argilosa, com estrutura fraca a moderada média a grande granular e alguns blocos subangulares. O grau de consistência a seco varia de macio a duro. Este solo é friável quando úmido e plástico e pegajoso quando molhado. O horizonte B tem uma espessura média entre 150 a 120 cm. A estrutura é fraca média a grandes blocos subangularres. A cerosidade quando presente é fraca e pouca. Possui uma consistência dura quando seco, friável a firme quando úmidos e plástico a muito plástico e pegajoso quando molhado. A distribuição de argila ao longo do perfil é relativamente uniforme, o que indica uma fraca mobilidade. Quanto aos aspectos geotécnicos, os latossolos possuem grande capacidade de infiltração d água superficial, graças ao grande volume de poros e do tamanho desses. Os seus principais problemas geotécnicos advêm do uso inadequado. Os latossolos argilosos, por exemplo, apresentam como principal problema a compactação, que diminui os poros de maneira acentuada comprometendo a capacidade de infiltração da água. Como principais unidades de solos pertencentes a esta classe, foram identificadas e mapeadas na área de estudo 4 tipos, sendo que uma desta unidades é associada ao Latossolo Vermelho-Amarelo Álico: 46

64 47 LATOSSOLO VERMELHO AMARELO ÁLICO, com A proeminente e textura argilosa (LVa3) - Aparecendo por quase toda a porção do médio ao baixo curso da bacia do rio Atuba o LVa3 é formado pelos sedimentos argilosos, arcósios e de areias finas da Formação Guabirotuba. Com uma extensão de 34,85km 2, ou seja, 27,35% da área em estudo é a unidade de solo que possui a maior área mapeada na bacia. Aparece geralmente, sobre uma morfologia de relevo suave ondulado, em declividades médias a elevadas de 25% a 10%. LATOSSOLO VERMELHO AMARELO ÁLICO, com A proeminente, pouco profundo e textura argilosa (LVa6) - Situado na porção nordeste da área em questão, o LVa6 é desenvolvido a partir dos produtos da meteorização de gnaisses migmatizados do Complexo Migmatítico. Com uma área de 3,45 km 2, equivalente a 2,70% da bacia, esta unidade de solo ocorre em relevo suave ondulado e ondulado, com declives de 25% a 10%. LATOSSOLO VERMELHO AMARELO ÁLICO, com A proeminente, pouco profundo e textura argilosa (LVa8) - Apresente unidade mapeada aparece em forma de duas pequenas manchas localizadas na porção do médio curso da bacia. Possui uma extensão total de 2,13 km 2, correspondente a 1,67% das unidades mapeadas. Sendo formado a partir da decomposição de rochas do Complexo Migmatítico, este tipo de solo está associado a um relevo suave ondulado, com declividades médias entre 15% a 10%. Associação de LATOSSOLO VERMELHO-AMARELO ÁLICO + CAMBISSOLO ÁLICO Tb, ambos com A proeminente e textura argilosa (LVa13) - Esta associação de solos ocorre no extremo norte da bacia, na região de suas nascentes sobre uma topografia de relevos forte ondulado e ondulado, com declives superiores a 15%. Apresentando uma área de 3,40 km 2, ou seja, 2,67% da bacia, esta unidade de solos é proveniente da meteorização de rochas do Grupo Açungui correspondentes aos mármores, filitos e quartzitos. 47

65 48 CAMBISSOLOS Compreendem solos minerais não hidromórficos, com horizonte B câmbico. Os cambissolos são solos moderadamente a bem drenados, com seqüência de horizontes A, B, C, com transição clara entre eles. Quanto ao desenvolvimento pedogenético, são solos com certo grau de evolução, mas não o suficiente para a meteorização completa de minerais primários, de fácil intemperização. A maior parte de seus perfis são rasos ou mediamente profundos, de 50 a 100 cm, com coloração pouco uniforme. A atividade da argila varia de alta a baixa, sendo geralmente superior as dos latossolos. A textura argilosa ao longo de cada perfil é bastante uniforme, notando-se uma pequena variação no teor de argila entre o horizonte A e o B, possuindo menor quantidade de argila no horizonte B. A estrutura do horizonte A é do tipo granular grande, moderada a fortemente desenvolvida e/ou fraca com pequenos blocos subangulares. O horizonte B apresenta uma estrutura em blocos subangulares pequenos e médios e francamente desenvolvida. A consistência dos cambissolos varia de macio a muito duro no estado seco, de friável a firme com o solo molhado, e de ligeiramente plástico e ligeiramente pegajoso a muito plástico e muito pegajoso com o solo molhado. Os solos desta classe possuem boas características físicas, relacionadas à porosidade, permeabilidade, drenagem e floculação das argilas. Devido as suas características físicas e ao posicionamento em relação ao revelo, pois predominam geralmente em áreas de morros, montanhas e serras com vertentes acima de 20% de declive, os cambissolos são solos que não irão apresentar problemas geotécnicos em relação a encharcamento e má drenagem. As unidades de solos desta classe, mapeadas na área em questão são: CAMBISSOLO ÁLICO Tb, com A proeminente e textura argilosa (Ca2) - Com uma área de 30,64 km 2, correspondente a 24,04% do total dos solos da bacia do rio 48

66 49 Atuba, o Ca2 encontra-se situado no alto e médio curso da área de estudo. Possui um percurso que se estende de leste a oeste, sobre os substratos rochosos do Complexo Migmatítico. Esta unidade de solo está associada a um relevo ondulado, com declividades médias de 25% a 10%. CAMBISSOLO ÁLICO Tb, com A proeminente e textura argilosa (Ca5) - Situado na porção norte da área de estudo o Ca5 ocorre entre a faixa de transição das litologias do Grupo Açungui para as litologias do Complexo Migmatítico, com uma grande variedade litológica em sua composição. Esta unidade de solo abrange uma área de 13,04 km 2, ou seja, 10,23% do total da bacia do rio Atuba sobre um relevo forte ondulado, de topografias elevadas, com declives maiores que 15%. Associação de CAMBISSOLO ÁLICO Tb + Solos LITÓLICOS DISTRÓFICOS, ambos com A moderado e textura argilosa (Ca37) Sobre um relevo montanhoso com vertentes íngremes de declives superiores a 25%, esta associação de solos, aparece apenas na porção extremo norte da bacia, intercalada ao solo LVa13. Possui a menor área mapeada com certa de 1,25 km 2, ou seja, 0,98% da bacia do rio Atuba, sobre o substrato de filitos do Grupo Açungui. TERRA ROXA ESTRUTURADA Nesta classe estão compreendidos solos minerais não hidromórficos, com horizonte B textural. A argila apresenta baixa capacidade de troca de cátions com baixo gradiente textural. São solos de coloração avermelhada, profundos, argilosos, bem drenados, porosos e com seqüência de horizonte A, Bt e C. Possuem pequena variação de cor e de textura ao longo do perfil, com transições entre os subhorizontes graduais ou difusas. A espessura destes solos varia de 130 a 250 centímetros. A textura do horizonte A é argilosa ou muito argilosa e, no horizonte Bt é muito argilosa diminuindo gradativamente para o C. 49

67 50 A estrutura do horizonte A é do tipo granular, moderada e fortemente desenvolvida e a do Bt é prismática, composta de blocos subangulares e angulares. O grau de consistência a seco varia de ligeiramente duro a duro. Em condição úmida é firme e quando molhado, o grau de consistência varia de muito plástico a ligeiramente plástico e de muito pegajoso a ligeiramente pegajoso, com plasticidade e pegajosidade diminuindo, dos horizontes superficiais para os inferiores. Na área mapeada, esta classe é representada apenas por uma unidade associada a outros solos, descrita a seguir: Associação de TERRA ROXA ESTRUTURADA DISTRÓFICA + LATOSSOLO ROXO DISTRÓFICO + SOLOS LITÓLICOS EUTRÓFICOS, ambos com A moderado e textura argilosa (TRd4) - Esta associação de solos aparece como uma pequena mancha na porção nordeste da bacia do rio Atuba, sendo desenvolvida a partir da decomposição de rochas do Complexo Migmatítico. Como a única unidade representante desta classe o TRd4 possui uma área de 4,53 km 2, correspondendo a 3,55% da área da bacia, sobre um relevo suave ondulado e ondulado. SOLOS HIDROMÓRFICOS São solos mal drenados ou muito mal drenados, formados em terrenos de planícies onde a circulação da água é baixa, apresentado-se, geralmente, encharcados. Com uma grande influência do lençol freático à superfície ou próxima dela, a má drenagem pode ser verificada pela presença de cores cinzentas e mosqueadas nos horizontes subsuperficiais, devido ao fenômeno de oxido-redução. Em alguns casos, pode apresentar ainda, acúmulo superficial de matéria orgânica. Os solos hidromórficos possuem horizontes A e Bg, em geral pouco profundo, de textura dominantemente argilosa com uma granulometria muito fina. Pelas próprias características físicas e posicionamento na paisagem, os principais problemas dos solos hidromórficos são referentes à capacidade de suporte 50

68 51 de drenagem. São normalmente áreas pouco recomendáveis para uma urbanização residencial e/ou comerciais. Na área de estudo, esta classe é constituída por uma única unidade mapeada, descrita a seguir: SOLOS HIDROMÓRFICOS GLEYZADOS INDISCRIMINADOS, com textura argilosa (HG2) - Ocorre em duas regiões diversas da área em estudo, uma a extremo sudeste, em sua foz e, a outra na porção centro oeste da bacia. São solos formados a partir de sedimentos aluvionais não consolidados, associados a um relevo plano, com declividades baixas inferiores a 15%. Somente 6,16 km 2, ou seja, 4,83% da área da bacia apresenta este tipo de solo. SOLOS ORGÂNICOS São solos hidromórficos, essencialmente orgânicos, pouco evoluídos, provenientes de depósitos de restos vegetais em graus variáveis de decomposição. Esta classe de solo é constituída por um horizonte superficial de coloração preta, devido aos elevados teores de carbono orgânico. Conhecidos por turfas, são solos que apresentam a seguinte seqüência: horizonte A, que pode ou não ser subdividido, seguido de camadas orgânicas sobrepostas ao material mineral. O horizonte A possui normalmente espessura de 30 cm. A textura é variável de um local para outro. Assim como as características a ela relacionadas. Os solos orgânicos são solos mal drenados, uma vez que são desenvolvidos sob condições de permanente encharcamento, com lençol freático próximo ou a superfície durante grande parte do ano. Como ocorrem em superfícies planas e ocupam as posições de cotas mais baixas, em áreas originalmente abaciadas que constituem pequenas depressões sedimentares próximas aos cursos d água, o relevo torna-se um dos fatores mais importantes na formação destes solos. 51

69 52 Assim como os solos hidromórficos, os solos orgânicos, também apresentam como principais problemas geotécnicos, áreas sujeitas a constantes inundações. Pois estes solos encontram-se nas regiões baixas, formando as planícies aluviais, a beira dos grandes rios. Como unidade representante dessa classe de solo na área de estudo, tem-se o solo HOa1: SOLOS ORGÂNICOS ÁLICOS (HOa1) - Na área em questão a presente unidade encontra-se sobre as planícies aluviais, beirando as margens dos principais rios formadores do médio e baixo curso da bacia do rio Atuba. Este solo é constituído pelos sedimentos coluvio aluviais do Quaternário, encontrados nas partes baixas e abaciadas do relevo, em declividades muito baixas, menores que 10%. Na área em estudo, esta unidade de solo é bastante expressiva possuindo 29,47 km 2, o que correspondente a 23,13% do total de toda a bacia. 5. CLIMA De acordo com as informações fornecidas pela SEAB e ITCF (1987), Curitiba e seus arredores possuem precipitação média anual em torno de mm e umidade média relativa do ar entre 80% a 85%. A precipitação mensal máxima acontece nos meses de janeiro e fevereiro e as mínimas em agosto e abril, respectivamente. O tipo climático, conforme a classificação de Koppen e apresentado por MAACK (1981), é o Cfb clima Subtropical Úmido Mesotérmico, de verões frescos e com ocorrência de geadas severas e freqüentes. A temperatura média do mês mais frio é inferior a 18 C, com verões frescos e a temperatura do mês mais quente fica abaixo de 22 C, sem estação seca definida. Para FENDRICH (2006), a cidade de Curitiba possui uma tendência de apresentar três sazonalidades climáticas no decorrer do ano que são: a) Clima quente e úmido de novembro até março; b) Clima frio e úmido (devido à umidade 52

70 53 relativa do ar) de maio até agosto e; c) Clima temperado e úmido nos meses de abril, setembro e outubro. Através de uma série histórica, compreendida no período entre 1990 a 2004 de dados de temperatura do ar; umidade relativa do ar e altura pluviométrica fornecidos pela estação Curitiba Prado Velho, o autor (op. cit., 2006), realizou uma comparação destes dados com os dados obtidos por MAACK (2002), de uma série histórica de temperaturas compreendida de 1884 a 1961, e de precipitações e umidades relativas do ar compreendias entre 1889 a O autor obteve como resultado os seguintes valores (Tabela 12): TABELA 12 - COMPARAÇÃO DOS VALORES CLIMÁTICOS OBTIDOS POR MAACK (2002) COM OS VALORES OBTIDOS POR FENDRICH (2006). Dados MAACK (2002) FENDRICH (2006) Temperatura do ar - média anual 16,5º C 19,6º C (19% >) Temperatura mês mais quente 20,4º C (janeiro) 22,2º C (janeiro) (9% >) Temperatura mês mais frio 12,7º C (julho) 16,0º C (julho) (26% >) Umidade relativa do ar - média anual 81,5% 70,2% (14 % <) Precipitação pluvial média anual 1.451,8 mm 1.584,2 mm (9% >) Maior média mensal de chuva 190,7 mm (janeiro) 222,6 mm (janeiro) (17% >) Menor média mensal de chuva 78,2 mm (agosto) 70,9 mm (abril) (9% <) 78,7 mm (agosto) Para a cidade de Curitiba FENDRICH (2006), conclui que: I - existem elevações nas temperaturas do ar; II decréscimos das umidades relativas do ar; III - aumentos nas alturas pluviométricas nos meses mais quentes do ano e, os índices pluviométricos nos meses frios e temperados do ano mantiveram-se os mesmos. 5.1 PRECIPITAÇÕES PLUVIOMÉTRICAS Proveniente principalmente de chuvas convectivas de grande intensidade e curta duração, o regime pluviométrico em Curitiba e seu entorno, caracteriza-se por apresentar chuvas bem distribuídas durante todos os meses do ano com maior concentração nos meses de verão. A instabilidade adquirida na Massa de ar Tropical Atlântica (TA) e seus confrontos com a Polar Atlântica (PA), bem como a atuação da 53

71 54 Equatorial Continental (Ec), respondem pelos valores mais elevados de precipitação durante esse período do ano. Já o inverno, um pouco menos chuvoso, apresenta maior estabilidade do ar, dada principalmente pela participação da Massa Polar Atlântica, tendo-se o mês de agosto como o mais seco (MENDONÇA, 2001). Apesar de possuir clima subtropical úmido, Curitiba apresenta uma variedade mensal e interanual de chuvas bastante significativa, que gera freqüentes episódios de racionamento d água como também de enchentes, verificadas nos transbordamentos dos rios de suas redes hidrográficas (DANNI-OLIVEIRA, 1997). De acordo com a autora (op. cit., 1997), a análise das chuvas que ocorrem em Curitiba, executada durante um período de 45 anos de estudo (série temporal de 1951 a 1995), sugere a existência nítida de três padrões comportamentais de pluviosidade ao longo do ano: um mais seco e longo, com chuvas de 60 a 100 mm, abrangendo os meses de abril a agosto; um intermediário e breve, com chuvas de 100 a 120 mm, correspondente aos meses de setembro a novembro e, finalmente, um último mais chuvoso e de duração intermediaria, com totais de 130 a 170 mm, que se estende de dezembro a março. Os mesmos padrões se repetem ao analisarse o número de dias com chuvas superiores a 1 mm. Considerando-se as chuvas máximas em 24 horas, existe novamente uma coincidência de comportamento com estes padrões, com exceção de maio que supera os totais de chuvas máximas do padrão de inverno, mostrando uma maior variabilidade (DANNI-OLIVEIRA, 1997). Dos três padrões comportamentais descritos pela autora, pode-se concluir que o verão curitibano constitui-se no período mais chuvoso, enquanto que o inverno se apresenta como o mais seco, sendo o mês de janeiro o que possui o maior registro mensal de chuvas e o mês de agosto o que possui o menor registro de média mensal. Ainda segundo a autora (op. cit., 1997), no que se refere às precipitações máximas diárias em Curitiba, em 20% dos anos da série temporal de 45 anos analisada, os meses de março e dezembro caracterizaram-se por serem os meses onde ocorreram os maiores valores anuais das chuvas máximas em 24 horas, seguindo-se os meses de fevereiro (15%), junho (14%) e janeiro (11%). 54

72 55 Os episódios pluviométricos mais críticos, bem como os desvios anuais das chuvas em relação às médias pluviométricas, evidenciam a variabilidade interanual das chuvas em Curitiba, à mercê da intensidade dos ritmos de alternância entre os sistemas atmosféricos de controle regional (DANNI-OLIVEIRA, 1999). Para DANNI-OLIVEIRA (1999), a concentração maior de chuvas no verão decorre da ação de linhas de instabilidade de NW e dos processos frontológicos resultantes do confronto entre os fluxos polares e aqueles tropicais. Reportando-se aos dados observados em estações pluviométricas circunvizinhas a bacia do rio Atuba, os mesmos vêm a confirmar os estudos apresentados por FENDRICH (2006) e por DANNI-OLIVEIRA (1997), verificados nos gráficos das Figuras (5, 6, 7 e 8). FIGURA 5 - GRÁFICO DO ÍNDICE DE PRECIPITAÇÃO NA ESTAÇÃO PLUVIOMÉTRICA DE CURITIBA - PRADO VELHO A 884 m DE ALTITUDE (PERÍODO: 1982 A 2004) Precipitação (mm) Med. Max. Min. Desvio padrão Jan. Fev. Mar. Abr. Mai Jun. Jul. Ago. Set. Out. Nov. Dez. Mês Fonte: Elaborado a partir de dados fornecidos pela SUDERHSA. Na estação pluviométrica de Curitiba - Prado Velho, durante o período analisado de 1982 a 2004, o maior índice pluviométrico ocorreu no mês de janeiro, sendo a sua média de 193,5 mm. A máxima mensal registrada neste mês foi de 55

73 56 423,5 mm em 1995 e a mínima de 33,7 mm em 1985, gerando um desvio padrão da máxima com a mínima de 110,05 mm. O mês de menor altura de chuva nesta estação é agosto, com uma média de 71,04 mm, sendo a máxima mensal em torno de 267,8 mm em 1998 e a mínima de 1,9 mm no ano de 1988, com um desvio padrão de 76,11 mm. FIGURA 6 - GRÁFICO DO ÍNDICE DE PRECIPITAÇÃO NA ESTAÇÃO PLUVIOMÉTRICA DE COLOMBO A 977 m DE ALTITUDE (PERÍODO: 1988 A 2004) Precipitação (mm) Med. Max. Min. Desvio padrão 0 Jan. Fev. Mar. Abr. Mai Jun. Jul. Ago. Set. Out. Nov. Dez. Mês Fonte: Elaborado a partir de dados fornecidos pela SUDERHSA. O gráfico da estação de Colombo ilustra que os meses de janeiro e setembro são os dois meses que mais ocorrem chuvas, sendo a média do mês de janeiro de 204,27 mm, com máxima registrada igual a 459,6 mm em 1995 e mínima de 56,1 mm em 1992, gerando um desvio padrão de 110,13 mm. O mês de setembro possui uma média de precipitação de 146,86 mm com uma máxima registrada de 459,2 mm em 1993 e mínima de 9 mm em 1994, sendo o desvio padrão ente a máxima e a mínima de 128,68mm. O mês de agosto possui uma média mensal de precipitação de 64,30 mm, sendo o mês que apresenta o menor registro pluviométrico, na série histórica 56

74 57 analisada. A sua máxima foi de 179,1 mm em 1998 e a mínima de zero em 1988, com desvio padrão de 56,42 mm. FIGURA 7- GRÁFICO DO ÍNDICE DE PRECIPITAÇÃO NA ESTAÇÃO PLUVIOMÉTRICA DE FAZ. EXP. FAC. AGRONOMIA (PINHAIS) 900 m DE ALTITUDE (PERÍODO:1971 A 2004) Precipitação (mm) Med. Max. Min. Desvio padrão 0 Jan. Fev. Mar. Abr. Mai Jun. Jul. Ago. Set. Out. Nov. Dez. Mês Fonte: Elaborado a partir de dados fornecidos pela SUDERHSA. A estação da Fazenda Experimental da Faculdade de Agronomia, durante os anos de 1971 a 2004, apresentou a sua maior oferta pluviométrica no mês de janeiro, com média de 191,63 mm de chuva. A máxima registrada foi de 457,3 mm no ano de 1995, a mínima foi de 43,6 mm no ano de O desvio padrão analisado foi de 97,50 mm. Nesta estação os meses que apresentaram os menores registros pluviométricos são: os meses de abril e agosto. O mês de abril possui uma média de 61,70 mm de chuva com sua máxima de 155,4 mm em 1998 e mínima de 4 mm em O desvio padrão da máxima com a mínima foi de 34,93 mm. O mês de agosto registrou média entorno de 73,98 mm. A máxima apresentada foi de 239,0 mm em 1998 e a mínima de 1,6 mm em 1988, com desvio padrão de 59,24 mm. 57

75 58 FIGURA 8 - GRÁFICO DO ÍNDICE DE PRECIPITAÇÃO NA ESTAÇÃO PLUVIOMÉTRICA DE CURITIBA A 929 m DE ALTITUDE (PERÍODO: 1960 A 2004) Precipitação (mm) Med. Max. Min. Desvio padrão 0 Jan. Fev. Mar. Abr. Mai Jun. Jul. Ago. Set. Out. Nov. Dez. Mês Fonte: Elaborado a partir de dados fornecidos pela SUDERHSA. O gráfico da estação de Curitiba mostra que o mês de janeiro, como o observado nas demais estações, também é o que possui o maior registro de chuvas, com média pluviométrica de 188,45 mm, sendo a máxima de 473,8 mm em 1995 e a mínima de 20,9 mm em 1982 e desvio padrão de 98,01 mm. O mês menos chuvoso é o de agosto, possuindo média de chuvas de 76,14 mm, sendo a máxima de 271,1 mm em 1998 e mínima de 2 mm em 1988, com desvio padrão da máxima com a mínima de 57,78 mm. Em todos os gráficos analisados o mês de janeiro é o que apresentou a maior oferta pluviométrica na área da bacia e regiões circunvizinhas. Em todas as estações estudadas, o ano de 1995 é o que possui o maior registro de máxima mensal, do mês de janeiro, evidenciando assim a grande cheia ocorrida neste ano. 58

76 59 CAPÍTULO 4 PROCEDIMENTO METODOLÓGICO E MATERIAIS UTILIZADOS O procedimento metodológico adotado no trabalho constituiu-se na aplicação de dois modelos hidrológicos atrelados à utilização de técnicas de tratamento de dados e confecção de cartas temáticas em ambiente SIG, visando analisar e espacializar o comportamento hidrológico da bacia hidrográfica do rio Atuba, durante eventos de vazão de cheias. Os dois modelos aplicados são modelos que transformam chuvas em vazões, sedo um deles baseado no Método de Ven Te Chow, consagrado na literatura específica, e o outro, elaborado a partir do aperfeiçoamento do Método Racional, para bacias de médio porte. Os modelos propostos têm por base o estudo dos impactos da urbanização sobre o sistema de drenagem, utilizando-se da técnica de quantificação de áreas impermeáveis e da representação das características superficiais do terreno para quantificar o escoamento superficial e simular picos de vazão de cheias em uma bacia hidrográfica urbana a parcialmente urbanizada. Para as suas aplicações, utilizando-se das técnicas de SIG, foi indispensável o desenvolvimento de diversas tarefas tais como: revisão bibliográfica e compilação de dados; preparação de bases cartográficas em meio digital; análise de bancos de dados hidrológicos; caracterização morfométrica da bacia hidrográfica; interpretação de fotografias aéreas para o mapeamento da cobertura superficial do terreno e análise multitemporal do uso e ocupação urbana; quantificação das áreas permeáveis e impermeáveis da bacia do rio Atuba; 59

77 60 elaboração de cartas temáticas, cruzamento, geração e análise de informações em ambiente SIG; determinação dos parâmetros necessários para o cálculo da vazão de pico e; aplicação dos modelos hidrológicos propostos para o cálculo da vazão de pico. Na quantificação das áreas permeáveis e impermeáveis, utilizou-se a técnica de análise multitemporal dos aspectos relacionados à evolução da cobertura superficial do terreno e redução de áreas naturais. A referida técnica foi realizada através da fotointerpretação de fotografias aéreas de diferentes datas de aquisição, sendo possível mapear o crescimento das áreas urbanas e o conseqüente aumento das áreas impermeáveis. O aumento do escoamento superficial do terreno e aumento dos picos de vazão de cheias foram calculados por modelos hidrológicos, a partir de equações matemáticas, que simulam as principais características hidrológicas da bacia. Para tais cálculos, foi necessário definir alguns parâmetros tais como: intensidade da chuva, características físicas da bacia (área, comprimento do talvegue, tempo de concentração, grupos hidrológicos de solos, umidade antecedente dos solos, declividade do terreno entre outros), chuva efetiva, coeficiente de armazenamento por infiltração, coeficiente de retardo por efeito da declividade, tempo de pico do hidrograma, fator de redução de pico do hidrograma, fator de deflúvio e o coeficiente de escoamento superficial do terreno, discriminando o tipo de cada ocupação urbana que demonstra os diferentes graus de impermeabilização do solo. Na etapa de SIG foi criado um banco de dados contendo informações temáticas da superfície da bacia, através da confecção e combinação de cartas e tabelas por operações algébricas. Para a simulação da vazão de pico foram utilizadas diversas cartas temáticas elaboradas em meio digital como: carta de solos, carta geológica, carta de declividade do terreno, cartas de coberturas superficiais do terreno, cartas de índices 60

78 61 de armazenamento (coeficiente S ) e cartas de índices de escoamento superficial (coeficiente C ), além de outras informações que fazem parte dos parâmetros necessários à aplicação dos métodos propostos. Todos os parâmetros considerados foram analisados em conjunto e integrados em ambiente SIG visando, como resultado final, a quantificação e o mapeamento do escoamento superficial e a análise dos picos de vazão de cheias, dentro de uma visão multitemporal. Na Figura 9 é apresentado um ilustrativo das diversas etapas do procedimento metodológico seguidas durante o desenvolvimento do trabalho. FIGURA 9 - FLUXOGRAMA DO PROCEDIMENTO METODOLÓGICO ADOTADO NO TRABALHO Projeção da Meta Definição do Problema - Analisar e cartografar o aumento da impermeabilização do solo gerado pelo processo de urbanização; - Analizar e cartografar o aumento do coeficiente de escoamento superficial do terreno; - Verificar a evolução do pico de vazão de cheias. Entrada de Dados Avaliação dos parâmetros a serem analisados: solo- grupo hidrologico do solo (umidade antecedente); geomorfologia / topografia declividade do terreno; cobertura superficial do terreno- tipo de cobertura superficial (análise multitemporal); precipitação- intensidade, duração e tempo de retorno. Manipulação dos Dados/ Análises - interpretação dos parâmetros através de mapas e tabelas; - aplicação dos modelos hidrólogicos propostos. Saída dos Dados - representação cartográfica. - gráficos, tabelas e hidrogramas; 61

79 62 1. MATERIAIS UTILIZADOS Os documentos cartográficos, software(s) e informações hidrológicas utilizadas na obtenção e geração de dados deste trabalho foram: Documentos Cartográficos: Cartas topográficas da COMEC na escala de 1:10.000, do ano de 1976 das seguintes articulações SG 22 X: 400, 402, 404, 411, 413, 415, 417, 419, 414, 416, 418 e 420; Carta Geológica compilada e adaptada de SALAMUNI (1998); Carta de solos compilada e adaptada do Levantamento e Reconhecimento dos Solos do Estado do Paraná - EMBRAPA & IAPAR (1984), na escala de 1: ; Fotografias aéreas pancromáticas da Cobertura Aerofotogramétrica Cruzeiro do Sul do ano de 1962, na escala de vôo - 1:70.000, cedida pela SEMA; Fotografias aéreas pancromáticas da Cobertura Aerofotogramétrica do Instituto de Terras, Cartografias e Florestas (ITCF-PR) de 28/06/1980, na escala de vôo - 1:25.000, cedida pela SEMA; Fotografias aéreas coloridas da Cobertura Aerofotogramétrica da região Metropolitana de Curitiba de 07/06/2000, na escala de vôo - 1:30.000, cedida pela SUDERHSA. 62

80 63 Software: Auto-CAD 2006, versão para Windows; Erdas Imagine 8.6, versão para Windows; IPHS (Modelagem Hidrológica e Hidráulica), versão para Windows, desenvolvido pelo Instituto de Pesquisas Hidráulicas da UFRGS e Faculdade de Engenharia Agrícola UFPel.; Spring 4.2 (Sistema de Processamento de Informações Georreferenciadas), versão para Windows, desenvolvido pelo INPE. Informações Hidrológicas: Dados pluviométricos mensais e diários, fornecidos pela SUDERHSA, referentes as estações de: Colombo - código , dos anos de 1988 a 2004, localizada no município de Colombo a montante da bacia do rio Atuba; Fazenda Experimental da Agronomia - código , dos anos de 1971 a 2004, localizada no município de Pinhais na proximidade do baixo curso da bacia do rio Atuba, porção sudeste; Curitiba código , dos anos de 1960 a 2004, localizada no município de Curitiba na porção sudoeste, baixo curso da bacia do rio Atuba; Curitiba - Prado Velho código , dos anos de 1982 a 2004, localizada no município de Curitiba (instalações da PUC/PR) próxima ao baixo curso da bacia do rio Atuba, porção sudoeste. 63

81 64 2. MÉTODO RACIONAL Para a aplicação do Método Racional na bacia hidrográfica do rio Atuba foi utilizada a fórmula racional, modificada e adaptada por SOUZA PINTO et al. (1976). O autor introduz na equação, um coeficiente de retardo que reflete o efeito de armazenamento d água, devido às diferenças da declividade do terreno. Como a bacia hidrográfica do rio Atuba pode ser considerada como uma bacia de médio porte, segundo as classificações de TUCCI (1993), vide fundamentação teórica, a escolha da equação adaptada por SOUZA PINTO et al. (1976), teve por base a necessidade de se ajustar o melhor possível o método ao tamanho da área em questão, uma vez que o mesmo possui uma série de limitações para bacias deste porte. Partindo do princípio que as limitações do Método Racional usado na sua forma original, podem implicar em erros grosseiros quando aplicado em bacias superiores ao tamanho estipulado, durante o trabalho, além de se utilizar à equação mencionada acima, procurou-se calcular todos os seus parâmetros de modo a representarem o melhor possível a heterogeneidade e variação espacial dos elementos fisiográficos da bacia. A heterogeneidade dos elementos fisiográficos da bacia foi levada em consideração, através da diferenciação de alguns de seus elementos, tais como. a) diferenças de grupos hidrológicos de solos; b) umidade antecedente do solo; c) diferenças nos tipos de cobertura superficial do terreno; d) diferenças da variação espacial da precipitação, através da média ponderada de chuvas na bacia do rio Atuba e; e) diferença na variação da declividade do terreno, que reflete no coeficiente de retardo por armazenamento. Estas diferenças ajudaram a minimizar a generalização das características dos elementos constituintes da paisagem para toda a área da bacia, procurando 64

82 65 compensar este efeito, que não é contemplado no Método Racional, em sua concepção original. A consideração das diferenças existentes nos elementos da paisagem possibilitou também a aquisição de diversos valores do coeficiente de escamento superficial e de coeficiente de armazenamento, sendo os mesmos, mapeados de acordo com cada grupo de área distinta, verificadas na bacia hidrográfica. 3. MÉTODO DE VEN TE CHOW SOIL CONSERVATION SERVICE (SCS) Tendo por base as informações descritas por WILKEM (1971), o Método de Ven Te Chow foi aplicado a partir da seguinte relação: A. X. Y. Z Q p = equação (11) 3,6 onde: Q p é a vazão de pico, em m 3 /s; A é a área da bacia, em km 2 ; X é o fator de deflúvio, também denominado de intensidade da chuva excedente; Y é o fator climático e; Z é o fator de redução de pico. Uma vez que o fator de deflúvio X é a razão da chuva excedente pela duração, para o cálculo do excesso da chuva foi utilizada a fórmula do Soil Conservation Service, sedo aplicável somente após a determinação da chuva total e do número de deflúvio. Como a duração da chuva para a qual a vazão será máxima é desconhecida, durante os cálculos da vazão de pico pelo Método de Chow, foi necessário adotar um procedimento tentativo, conforme descrito a seguir: 65

83 66 por primeiro, arbitraram-se valores para a duração da chuva (td); para cada valor arbitrado foi obtida a intensidade da chuva (i m ) a partir da equação de intensidade-duração-freqüência; calculou-se a chuva total correspondente a cada duração e em relação a diferentes tempos de retorno (R = i m.td); verificou-se o número de deflúvio para cada ano analisado (N), sendo estes, estipulados, igual aos valores de (CN) do método do SCS; calculou-se a precipitação excedente (Re), com o auxílio da fórmula do SCS; calculou-se a intensidade da chuva excedente (X = Re / td); calcula-se o valor da razão (td/tp) para fixação do valor do fator de redução de pico; determinou-se o fator climático para a região em estudo, através de uma equação de IDF local e; por fim, calculou-se a vazão de pico pela fórmula de Ven Te Chow (Equação 11); O procedimento descrito acima foi repetido para todos os valores de duração da chuva arbitrados. A vazão de pico, para cada um dos anos analisados, e em diferentes tempos de retorno foi aquela que resultou a máxima nos cálculos efetuados. Para levar em consideração a distribuição da chuva durante o seu tempo de duração, o fator climático pode ser determinado com base na relação: R R e Y = equação (12) o no qual: R o é a altura de chuva, em milímetros, na localidade base e; R e é a altura de chuva, em milímetros, em outra localidade. 66

84 67 4. GERAÇÃO E ESTRUTURAÇÃO DOS DADOS EM AMBIENTE SIG 4.1 AQUISIÇÃO DOS DADOS EM MEIO DIGITAL O presente estudo foi conduzido através da análise e geração de dados em ambiente CAD e SIG, utilizando-se de informações de fotografias aéreas e cartas topográficas. O processo de aquisição dos dados em meio digital consistiu, primeiramente, na transferência das informações contidas nos elementos cartográficos para o meio digital através da escanerização de cartas topográficas e de fotografias aéreas, obtendo-se como resultado, os arquivos de dados em formato raster DIGITALIZAÇÃO DAS CARTAS TEMÁTICAS Após escanerizadas, as cartas topográficas foram trabalhadas no software Auto-Cad, efetuando-se o georreferenciamento e correção geométrica para eliminar as distorções cartográficas geradas no processo de escanerização. As cartas corrigidas e georreferenciadas foram utilizadas como imagens de fundo para a vetorização de informações, convertendo-se as informações raster em dados vetoriais, obtendo-se assim, a cartografia base da bacia (Figura 10). Os dados vetoriais gerados foram agrupados em temáticas diferentes, tais como curvas de nível, pontos cotados, rede hidrográfica, rede viária e polígonos de topologias. Para uma melhor organização e reconhecimento em ambiente SIG, cada temática foi digitalizada segundo o critério de subdivisão de layers (PIs). Às curvas de nível foram atribuídas suas cotas altimetricas, para a confecção em ambiente SIG do modelo digital do terreno e da carta de declividade. As cartas temáticas de geologia e solos, usadas como plano de informação, foram transferidas para meio digital através do mesmo procedimento descrito para as cartas topográficas. 67

85 68 68

86 TÉCNICA DE FOTOGRAMETRIA COM O USO DE ESTERIOSCOPIA DIGITAL Durante o processo de restituição das fotografias aéreas para a confecção das cartas de cobertura superficial do terreno e da carta de drenagem detalhada, utilizouse a técnica de fotogrametria digital, desenvolvida pela equipe do Laboratório de Fotogrametria Digital do Centro de Geotecnologia da Universidade de Siena - Itália. A fotogrametria digital é realizada através de um equipamento de fotorestituição digital chamado de stereo-restituídor digital, que permite uma visão estereoscópica tridimensional das fotografias aéreas. O equipamento de fotorestituição é composto por: a) Um computador no qual são carregadas as imagens digitais (fotografias aéreas) escaneadas no formado raster, constituídas de uma matriz bidimensional em tonalidade pancromática ou colorida; b) Software Erdas Imagine 8.6 que permite o georreferenciamento e a fotorestituição das fotografias aéreas; c) Um equipamento acessórico sofisticado que permite a visão estereoscópica tridimensional, implementada através do uso combinado de uma scheda gráfica do tipo Stereo Ready e de um sistema composto de uma tela polarizadora ativa e de um óculos polarizador passivo, ilustrados na Figura

87 70 FIGURA 11 - EQUIPAMENTOS UTILIZADOS PARA A FOTORESTITUIÇÃO DIGITAL Schermo Polarizador Ativo. Óculos Polarizador Passivo. Stereo Ready. Os materiais utilizados na realização da fotogrametria digital foram: Fotografias aéreas dos anos de 1962, 1980 e 2000; Cartas topográficas da região Metropolitana de Curitiba, da COMEC, na escala de 1:10.000; Software Erdas Imagine 8.6 e Auto-Card 2006; Equipamentos de fotorestituição stereorestituídor digital. A referida técnica de fotogrametria digital, que consiste na restituição de fotografias aéreas em meio digital, pode ser dividida em três fases distinas: 1 a Fase: orientação das fotografias aéreas, subdividida em orientação interna e orientação externa; 2 a Fase: restituição dos elementos observados nas fotografias aéreas e; 3 a Fase: controle de campo. 70

88 FASE DE ORIENTAÇÃO DAS FOTOGRAFIAS AÉREAS Orientação Interna: A orientação interna é realizada através da obtenção de dados fornecidos pelas próprias fotografias aéreas. Consiste na associação das fotografias aéreas com o tipo de câmera digital que as captou. Nesta fase foram fornecidas informações sobre a distância focal, sistema de coordenadas fotográficas paralelas às fotografias aéreas e posicionamento das marcas fiduciais, utilizando a função Ortho Base do software Erdas Imagine, como o ilustrado na Figura 12. FIGURA 12 - EXEMPLO DE POSICIONAMENTO DAS MARCAS FIDUCIAIS NAS FOTOGRAFIAS AÉREAS PARA A REALIZAÇÃO DA ORIENTAÇÃO INTERNA Marca Fiducial Durante a orientação interna também foram atribuídos os parâmetros geodésicos de georreferenciamento como: tipo da projeção, esferóide, datum, fator 71

89 72 de escala do meridiano central, longitude do meridiano central e latitude de origem da projeção (Figura 13). FIGURA 13 - ATRIBUIÇÃO DOS PARÂMETROS GEODÉSICOS PARA O GEORREFERENCIAMENTO DAS FOTOGRAFIAS AÉREAS As fotografias trabalhadas foram transportadas para meio digital com o auxílio do scanner, em formato Tif, com uma resolução de 600 dpi. Após a orientação interna realizou-se a orientação externa, onde as fotografias foram georreferenciadas no sistema de coordenadas da Projeção Universal Transversa de Mercator (UTM) South America e Esferóide/ Datum Hayford, utilizando ainda, a função Ortho-Base do software Erdas Imagine 8.6. Orientação Externa: A orientação externa consiste no georreferenciamento das fotografias aéreas em relação às coordenadas geográficas do globo terrestre, ou seja, o seu posicionamento global. 72

90 73 Na orientação externa o georreferenciamento foi realizado através da colocação de GCPs (pontos de controle terrestre) sobre as fotografias aéreas, tendo como base de referimento cartas topográficas da COMEC, em formato digital e registradas no Auto-Cad. Sobre as cartas topográficas foram lançados GCP(s) em regiões visíveis e coincidentes com as fotografias aéreas como: cruzamentos de estradas, confluências de rios, curvas de rios, curvas de estradas, habitações e feições geomorfologicas salientes. Após, foram extraídas de cada GCP as suas coordenadas cartesianas: latitude (x), longitude (y) e altitude (z) e, por fim, os pontos foram transferidos para as fotografias aéreas obedecendo as suas coordenadas identificadas. Para o georreferenciamento, cada fotografia aérea recebeu cerca de 23 a 25 GCP(s), distribuídos uniformemente sobre toda a sua área. O procedimento de georreferenciamento realizado durante a orientação externa com a atribuição de GCP(s) e coordenadas X, Y e Z é ilustrado na Figura 14. FIGURA 14 - EXEMPLO DE ATRIBUIÇÃO DOS GCP(S) SOBRE AS FOTOGRAFIAS AÉREAS PARA O GEORREFERENCIAMENTO 73

91 74 Através do procedimento de lançamento de GCPs e da ortoretifica contidos na fase de orientação externa, realizou-se a rotação e o ajuste das fotografias aéreas para um sistema de coordenadas cartesianas, usando-se de equação matemática contida no Interpolador Bilinear do próprio software. Como resultado desta fase obteve-se a rotação e o referenciamento geográfico de cada fotografia aérea para a posterior confecção de um mosaico das mesmas. Tanto a orientação interna como a orientação externa foram realizadas para todas as fotografias aéreas que recobrem a área da bacia hidrográfica do rio Atuba nos anos de 1962, 1980 e No trabalho foram utilizadas um total de 47 fotografias aéreas obedecendo as linhas de vôo e as suas seqüências de pares, para a sobreposição das mesmas. A sobreposição das fotografias aéreas foi realizada na função Piramidal do software Erdas, que prepara as fotografias em meio digital para serem visualizadas em estereoscopia. A Tabela 13 mostra a seqüência das fotografias áreas utilizadas no trabalho. TABELA 13 - LISTA DE FOTOGRAFIAS AÉREAS QUE RECOBREM A BACIA HIDROGRÁFICA DO RIO ATUBA. Ano- 2000/ escala 1: Faixa Fotos Ano- 1980/ escala 1: Ano- 1962/ escala 1: ,08,09, ,07,08,09, ,22,23, ,10, ,25,26 Fotos 51039, 51040, 51041, , 51072, , 54780, 54781, , 51014, 51015, 51016, , 50917, , 54741, Fotos 4465, 4466, , 4487,

92 RESTITUIÇÃO DOS ELEMENTOS OBSERVADOS NAS FOTOGRAFIAS AÉREAS Durante a restituição dos elementos observados nas fotografias aéreas utilizou-se a função Stereo Analyst do software Erdas Imagine 8.6, que permite a visão estereoscopica tridimensional das fotografias aéreas para a sua interpretação. Inicialmente foram restituídas as estradas e a rede de drenagem detalhada, considerando tanto os canais de escoamento perene como os intermitentes. No traçado das vias de acesso foram consideradas somente as vias principais para, posteriormente, serem utilizadas no ajuste com as cartas temáticas. O detalhamento da rede de drenagem foi realizado através da restituição dos canais de primeira ordem, identificados pelas suas incisões presentes nas encostas (Figura 15). FIGURA 15 - EXEMPLO DE FOTOINTERPRETAÇÃO DA REDE DE DRENAGEM DETALHADA E VIAS DE ACESSO PRINCIPAIS Fonte: Fotografia aérea nº 51072/Cruzeiro do Sul, ano de Após serem traçadas as vias de acesso e a rede de drenagem detalhada, foram estipuladas classes temáticas para cada cobertura superficial do terreno, 75

93 76 determinadas de acordo com a percentagem de áreas permeáveis e impermeáveis, ocasionadas pelo processo de adensamento urbano. Determinadas as classes temáticas de cobertura superficial do terreno, identificou-se e digitalizou-se sobre as fotografias aéreas os polígonos que contornam cada classe. Cada polígono gerado foi classificado de acordo com a sua temática, observada nas fotografias aéreas dos anos de 1962, 1980 e Como resultado, teve-se a confecção das cartas de cobertura superficial do terreno da bacia hidrográfica do rio Atuba, para cada ano analisado. O procedimento de identificação e digitalização dos polígonos sobre as fotografias áreas é ilustrado na Figura 16. FIGURA 16 - EXEMPLO DE FOTOINTERPRETAÇÃO DOS POLÍGONOS QUE REPRESENTAM AS CLASSES TEMÁTICAS DE COBERTURA SUPERFICIAL DO TERRENO Fonte: Fotografia aérea número-10, faixa de vôo-06 da (SUDERHSA, 2000). Concluída a interpretação das fotografias aéreas, os dados gerados foram transferidos para um Sistema de Informação Geográfica (SIG), realizando o mosaico de todos os polígonos digitalizados e as medidas de suas áreas, de acordo com cada 76

94 77 uma das classes temáticas atribuídas aos polígonos. Este procedimento serviu para a análise multitemporal da cobertura superficial do terreno e aplicação dos modelos hidrológicos. Todo o procedimento de fotogrametria digital, utilizando a metodologia descrita anteriormente, foi realizado no Centro de Geotecnologia da Universidade de Siena com o apoio e a orientação dos membros do Laboratório de Sensoriamento Remoto e Fotogrametria Digital. O procedimento utilizado foi bastante demorado, durando cerca de 9 a 10 meses, para a digitalização das cartas topográficas, aprendizagem do software, das funções de estereoscopia digital, manuseio do equipamento e execução do trabalho CONTROLE DE CAMPO Os trabalhos de campo foram realizados primeiramente para o reconhecimento prévio da área em estudo, verificação e atualização das informações já existentes. Em uma segunda etapa, conferiu-se os tipos de cobertura superficial do terreno mapeadas, além do levantamento e reconhecimento de áreas que apresentam indícios de ocorrências de inundações. As áreas sujeitas às inundações puderam ser identificadas através das características físicas da paisagem e do tipo de construções existentes no local. Os trabalhos de campo serviram para o esclarecimento de dúvidas sobre os alvos observados nas fotografias aéreas, sendo realizados, em todas as etapas, com o apoio das fotografias aéreas do ano de 2000, das cartas topográficas e das cartas temáticas confeccionadas. 77

95 78 FIGURA 17 - EXEMPLO DE FOTOINTERPRETAÇÃO E CONTROLE DE CAMPO (A) 78

96 79 FIGURA 18 - EXEMPLO DE FOTOINTERPRETAÇÃO E CONTROLE DE CAMPO (B) FIGURA 19 EXEMPLO DE CLASSES DE COBERTURA SUPERFICAL DO TERRENO (01) (01) (02) (02) A) Exemplo da classe de edificação não muito densa (01) e da classe de campo e áreas verdes (02). Trecho do rio Atuba canalizado no bairro Capão da Imbuia divisa com o município de Pinhais. B) Exemplo da classe de zonas industriais e comerciais (01) e da classe de campo e áreas verdes Trevo do Atuba. 79

97 80 FIGURA 20 - TRECHOS DO CANAL DE DRENAGEM DO RIO ATUBA A) Área preservada com presença de vegetação natural. Montante do rio Atuba no município de Colombo/ PR, sobre o Grupo Açungui. B) Exemplo de ocupação irregular as margens do rio Atuba município de Colombo/PR, próximo a BR 116. C) Médio curso do rio Atuba com ocupação ao longo da margem direita e processo de erosão ocasionado pela retirada da mata ciliar. D) Curso inferior do rio Atuba na Vila Autódromo bairro Cajuru. Ao fundo ocupações irregulares na região de planície de inundações do rio Atuba. E) Ponto de desembocadura do rio Bacacheri no rio Atuba bairro Capão da Imbuia/ Curitiba. Exemplo de ocupação desordenada sujeita as inundações na margem direita do rio Atuba. F) Foz do rio Bacacheri, detalhe da ocupação desordenada na região do leito menor - bairro Tarumã / Curitiba. 80

98 TRANSFERÊNCIA DOS DADOS CARTOGRÁFICOS PARA O AMBIENTE SIG Antes da importação dos dados digitalizados para o ambiente SIG, foi necessário converter os mesmos em formato DXF, que é um formato compatível com o software Spring. Para o armazenamento, processamento, manipulação e análise dos dados introduzidos no Spring, objetivando a saída destes na forma de cartas convencionais e arquivos digitais, executou-se uma série de etapas, tais como: Criação do Banco de Dados: que serviu para armazenar todas as informações geográficas trabalhadas; Criação do Projeto: que permitiu especificar o espaço geográfico da área de trabalho, onde foram inseridos todos os mapas. Nesta etapa também foram definidas as propriedades cartográficas da área em estudo com: projeção, datum e coordenadas geográficas; Criação dos Modelos de Categoria: para a organização do diferentes tipos de dados geográficos dos diversos modelos de categorias. Os modelos categóricos criados durante o trabalho foram os Temáticos e Numéricos. A categoria do modelo Temático foi reorganizada em classes temáticas, sendo elas: classes de solos, classes de cobertura superficial do terreno, classes de geologia, classes de coeficiente de retardo por armazenamento, classes de coeficiente de escoamento superficial entre outras. A categoria do modelo Numérico foi utilizada para o armazenamento de informações numéricas do terreno, contendo os dados de altimetria (curvas de nível e pontos cotados) usados na confecção do Modelo Digital do Terreno e da carta de declividade. A organização dos dados em categorias definiu a representação espacial na qual estes serão apresentados, matricial e/ou vetorial e o tipo de operação a ser executada. 81

99 82 Criação dos Planos de Informação (PIs): os PIs são os planos de armazenamento de informações que representam as diversas características temáticas. Durante o trabalho foram criados PIs para todos os mapas introduzidos no Spring, atribuindo aos dados cartográficos, distribuidos em cada PI, identificações próprias a partir da designação de seus atributos. A cada atributo de um PI foi associado um visual gráfico diferente, para uma melhor identificação dos elementos mapeados. A Figura 21 apresenta o fluxograma do processo de transferência dos dados para o ambiente SIG, desde a importação dos arquivos DXF, até a criação das categorias e PIs para a elaboração das cartas temáticas, como produto final. FIGURA 21 - FLUXOGRAMA DE TRANSFERÊNCIA DE DADOS PARA O AMBIENTE SIG Arquivo DXF - curva de nivel; - pontos cotados; - dremagem; - rede viária; - polígonos de topologia. Categoria Temátiva Categoria Numérica PIs - drenagem; PIs - altimetria; PIs - polígonos de topologia do solo; PIs - polígonos de topologia da geologia; PIs - altimetria interpolação dos dados PIs - polígonos de topologia da cobertura superficial do terreno (anos de 1962, 1980 e 2000). grade triangular grade retangular designação de atributos produto final (cartas temáticas) -carta topográfica -carta de solos; -carta geológica; -carta de cobertura superficial do terreno. - modelo digital do terreno - carta de declividade 82

100 INTEGRAÇÃO DOS DADOS EM AMBIENTE SIG A integração dos dados em ambiente SIG, para a confecção das cartas de índices de armazenamento dos solos (coeficiente S ) e das cartas de índices de escoamento superficial (coeficiente C ), teve como ferramenta de trabalho o software Spring 4.2. Para tal interpolação, utilizou-se a linguagem de programação espacial para geoprocessamento algébrico (LEGAL), disponível no próprio software. A linguagem de programação LEGAL trabalha com expressões aritméticas para a análise e tabulação cruzada de dados contidos em mapas e tabelas. Conforme o INPE (2005), o programa LEGAL é constituído de sentenças (linhas de comando), que estão estruturadas em três partes: declarações, instanciações e operações (Figura 22). - Declarações: nesta parte definem-se variáveis de trabalho. Cada variável deve ser declarada explicitamente, isto é, deve fornecer um nome e associá-la a uma categoria no esquema conceitual; Instanciação: nesta parte os dados já existentes devem ser recuperados do banco de dados ou cria-se um novo PI. Operação: nesta parte realizam-se as operações da álgebra de mapas. 83

101 84 FIGURA 22 - ESQUEMA UTILIZADO DURANTE A INTEGRAÇÃO DOS DADOS EM AMBIENTE SIG Declaração das variaves de trabalho Categorias de entrada PIs - Solos PIs - Declividade PIs - Cobertura superficial do terreno Instanciação das variaveis no banco de dados Operação algebrica interpolação dos PIs Categoria de saída Novo PI estruturado topológicamente ID do polígono As cartas de índices de armazenamento dos solos foram geradas a partir da interpolação de informações das cartas de cobertura superficial do terreno (dos anos de 1962, 1980 e 2000) e da carta de solos. As cartas de índices de escoamento superficial foram confeccionadas a partir da interpolação das cartas de cobertura superficial do terreno (dos referidos anos analisados), declividade e solos. 84

102 85 CAPÍTULO 5 DETERMINAÇÃO DOS PARÂMETROS ENVOLVIDOS NA ANÁLISE 1. PARÂMETROS MORFOMÉTRICOS O levantamento dos parâmetros morfométricos da área de estudo foi baseado na proposta de HORTON (1945), apresentada na literatura por CHRISTOFOLETTI (1980). Estes índices envolvem a determinação da densidade de drenagem, densidade hidrográfica, extensão do canal principal, coeficiente de compacidade, fator de forma da bacia, sinuosidade, extensão do percurso superficial, relação de relevo, gradiente do canal principal e hierarquia da rede de drenagem. A densidade de drenagem (D d ) é a relação entre o comprimento total de todos os cursos de água e a área total da bacia. O resultado é dado em km/km 2, sendo expresso por: D d = Lt /A, onde Lt é o comprimento total de todos os canais da rede hidrográfica e A é a área da bacia. Este índice varia de 0,5 km/km 2, para bacias com drenagem pobre, a 3,5 km/km 2 ou mais, para bacias excepcionalmente bem drenadas. Quanto maior for este índice, maior capacidade tem a bacia de escoar suas enchentes. A densidade hidrográfica (D h ) é definida pelo número de canais de primeira ordem (N 1 ) pela área da bacia (A), ou seja, D h = N 1 /A. O resultado é expresso em números de rios por km 2 (N/km 2 ). O coeficiente de compacidade (K c ) pode ser interpretado como a relação entre o perímetro da bacia (P) e a circunferência de área (A) igual a da bacia. Quanto mais irregular for a bacia, maior será o coeficiente de compacidade, que pode ser expresso por: K c = 0,28 / A. 85

103 86 Para VILLELA e MATTOS (1975), a tendência de uma bacia hidrográfica sofrer cheias será tanto maior quanto mais próximo de 1,0 for Kc, ou seja, mais próxima for à bacia de um círculo. O fator de forma (K f ) é a relação entre a largura média e o comprimento axial da bacia hidrográfica. É expresso por: K f = A /L 2, sendo L 2, a extensão do rio em km. Quanto menor for o fator de forma, mais alongada será a bacia. Uma bacia que apresenta fator de forma baixo estará menos sujeita a enchentes do que outra bacia com maior fator de forma. Isto é devido a menor possibilidade de ocorrerem chuvas intensas em todos os pontos de uma bacia comprida e estreita. A sinuosidade (S in ) de uma bacia hidrográfica representa a relação entre o comprimento do canal principal e a extensão do seu talvegue. Este índice é um fator controlador da velocidade de escoamento superficial, sendo calculado pela fórmula: S in = L cp /L tal, sendo L cp, a extensão do canal principal e L tal a extensão do talvegue. De acordo com a classificação de CHRISTOFOLETTI (1980), canais que apresentam índices de sinuosidade superior ou igual a 1,5 são considerados meândricos. A extensão do percurso superficial (E ps ) é considerada como a distância média que um fluxo hídrico percorre até chegar ao leito do rio. Este coeficiente é expresso por: E ps = 1/ 2D d. A relação de relevo (R r ) é expressa pela equação R r = H b /L b, onde H b é o desnível topográfico, ou seja, altitude mais elevada da bacia menos a sua menor altitude, e L b é o comprimento da bacia medido em linha reta ao longo do canal principal, até encontrar a borda da bacia, ou seja, o seu divisor. O gradiente do canal principal (G cp ) é um bom indicador da capacidade de transporte de sedimentos de um rio. Quanto maior for o gradiente do canal principal, maior será a capacidade de transporte de um rio, pois maior é a sua declividade. Pode ser representado pela equação G cp = H cp /L cp. Sendo H cp o desnível geométrico do canal principal e L cp a extensão do canal principal. A ordem dos cursos de drenagem consiste em dar uma hierarquia aos segmentos de canais da rede de drenagem de uma bacia hidrográfica. Neste trabalho, a hierarquia dos cursos d água foi realizada pelo método de STRAHLER 86

104 87 (1952) apud. CHRISTOFOLETTI (1980) e representada na Figura 23. Este estudo é importante, pois indica a maior ou menor velocidade com que a água escoa numa bacia hidrográfica. As medidas métricas necessárias para o estudo dos parâmetros morfométricos da bacia foram obitidas pelo emprego da função de operações métricas do Software Spring versão 4.2, possibilitando assim, uma rápida análise e uma maior precisão dos dados obtidos. Na Tabela 14 é apresentada a hierarquia da bacia do rio Atuba com o número de segmentos de canais para cada ordem hierárquica e o seu comprimento total. TABELA 14 - SEGMENTO DOS CANAIS POR ORDEM HIERÁRQUICA. Ordem Nº de segmentos Lt - Comprimento total dos canais em (km) 1º ,45 2º 47 81,03 3º 32 43,43 4º 9 28,15 5º 1 28,34 Total ,4 Os resultados dos cálculos dos parâmetros morfométricos e das medidas métricas dos elementos da rede de drenagem da bacia hidrográfica do rio Atuba são apresentados na Tabela 15. TABELA 15 - PARÂMETROS MORFOMÉTRICOS DA BACIA DO RIO ATUBA. Área da bacia - (A) 127,43 km 2 Perímetro da bacia - (P) 64,92 km Extensão do canal principal - (L cp ) 32,43 km Densidade de drenagem - (D d ) 3 km/km 2 Densidade hidrográfica -(D h ) 1,66 rios/ km 2 Coeficiente de compacidade - (K c ) 1,61 Fator de forma - (K f ) 0,12 Extensão do talvegue - (L tal ) 23,50 km Sinuosidade - (S in ) 1,36 Extensão do percurso superficial - (E ps ) 16,66 m Desnível topográfico da bacia - (H b ) 227,3 m Comprimento da bacia - (Lb) 23,87 km Desnível geométrico do canal principal - (H cp ) 146 m Relação de relevo - (R r ) 9,52 m/km Gradiente do canal principal - (G cp ) 4,5 m/km 87

105 88 88

106 89 Através dos dados da Tabela 15 verifica-se que: a) a densidade de drenagem de 3km de cursos d água por km 2 de área, demonstra que a bacia do rio Atuba é bem drenada, ou seja, possui alta capacidade de escoamento de suas enchentes. b) a densidade hidrográfica de 1,66 cursos d áua por km 2 e a ordem hierárquica igual a 5 também evidenciam a boa capacidade de drenagem da bacia. c) bacia do rio Atuba possui uma grande discrepância na distribuição e concentração dos cursos d água. Esta discrepância pode ser explicada pelo excesso de canais de baixa ordem encontrados na região das nascentes, sobre o Grupo Açungui e Complexo Migmatíticos, e da escassa drenagem de canais de 1ª e 2ª ordem, próximo a sua foz, na região dos aluviões e colúvios do Holoceno. Isso evidencia a influência da litologia no comportamento morfológico da rede de drenagem. d) a distribuição e concentração irregular dos cursos d água de 1ª e 2ª ordem revelam que o escoamento dos fluxos d água é bem mais rápido na porção superior da bacia. As águas precipitadas concentram-se na porção do baixo curso da bacia, onde a densidade de drenagem e a rede de canais de 1ª e 2ª ordem são bem mais baixas. e) o coeficiente de compacidade de 1,61 e o baixo fator de forma de 0,12 indicam que a bacia é bastante irregular e alongada. Isto demonstra que o tempo de concentração do fluxo até o seu exutório é lento, na bacia em seu estado natural, com vazões mais regulares, pouco sujeita a enchentes. f) a sinuosidade baixa de 1,36 indica que este fator é baixo no contre da velocidade de escoamento do curso d água principal. g) a extensão média do percurso superficial dos afluentes, igual a 16,66m revela que as águas precipitadas percorrem um curto trajeto até atingir o leito de um curso de água qualquer, contribuindo mais rápido para o aumento do volume de água dos canais receptores. h) a relação de relevo de 9,52 m/km e o gradiente do canal principal de 4,5 m/km representam o moderado desnível topográfico da bacia em estudo, refletindo 89

107 90 assim, a baixa capacidade energética dos seus fluxos d água no processo erosivo e no transporte de sedimentos. É importante salientar que o detalhamento da rede de drenagem considerando tanto os canais perenes como os intermitentes e a escolha da escala das cartas topográficas e das fotografias aéreas utilizadas, interferem em um resultado mais preciso, dos parâmetros morfométricos calculados. 2. COBERTURA SUPERFICIAL DA BACIA HIDROGRÁFICA DO RIO ATUBA Para o levantamento e mapeamento da cobertura superficial do terreno, foram estipuladas classes temáticas conforme o adensamento urbano e o tipo de uso e ocupação do solo, que determinam as áreas permeáveis e impermeáveis da bacia do rio Atuba (Tabela 16). TABELA 16 - CLASSES DE COBERTURA SUPERFICIAL DO TERRENO. Classes Temáticas 1- Edificação muito densa: partes centrais densamente construídas de uma cidade com cerca de 85% de impermeabilização. 2- Edificação não muito densa: zonas residenciais adjacentes ao centro, de menor densidade de habitação que as regiões centrais, com cerca de 65% de impermeabilização. 3- Edificações com superfícies livres: zonas residenciais com cerca de 38% de impermeabilização. 4- Edificações com muitas superficies livres: zonas residenciais com construções esparsas com cerca de 30% de impermeabilização. 5- Zonas industriais e comerciais: áreas industrias e barracões de comércios com cerca de 72% de impermeabilização. 6- Campo e áreas verdes: parques, praças, campos de esportes, áreas cultivadas, áreas com gramados e terrenos desnudos. 7- Zonas florestais e vegetação densa: área com vegetação de porte arboreo natural ou reflorestadas em boas condições. 8- Corpos d água: lagos artificiais ou naturais. Fonte : Modificadas de WILKEN, 1978 e do Método de SCS in. TUCCI (1995). A quantificação das classes de cobertura superficial do terreno, dos anos de 1962, 1980 e 2000 tornou-se possível através da operação de análise espacial, realizada pelo Sistema de Processamento de Informações Georeferenciadas -Spring. 90

108 91 Para tal operação foi executado o cálculo de áreas e verificada a percentagem de cada polígono, que representam nas cartas temáticas de 1962, 1980 e 2000 (Figuras 24, 25 e 26) as classes de cobertura superficial do terreno (Tabela 17). TABELA 17 - CÁLCULO DAS ÁREAS DAS CLASSES DE COBERTURA SUPERFICIAL DO TERRENO DA BACIA HIDROGRÁFICA DO RIO ATUBA DOS ANOS (1962, 1980 E 2000). Área na bacia do Atuba /Anos Descrição das Classes Edificação muito densa. Edificação não muito densa. Edificações com superfícies livres Km 2 % Total da Classe km 2 % Total da Classe Km 2 % Total da Classe km 2 % km 2 % km 2 % Permeável 0,0335 0,03 0,4760 0,37 1,4343 1,12 0,2032 0,16 3,1734 2,5 Impermeável 0,1697 0,13 2,6974 2,12 8,1275 6,38 Permeável 0,0000 0,0 0,9797 1,43 6,513 5,11 0,0000 0,0 2,7991 2,2 Impermeável 0,0000 0,0 1,8194 0,77 12,094 9,49 Permeável 0,1644 0,13 5,5838 4,38 11,029 8,70 Impermeável 0,1007 0,1 0,2651 0,21 3,4223 2,62 9,0061 7,0 6,7598 5,30 Edificação Permeável 11,028 8,59 18,911 14,8 10,675 8,31 com muitas 15,755 12,3 27,016 21,2 superfícies livres. Impermeável 4,7265 3,75 8,1048 6,36 4,5750 3,59 9,5618 7,5 18,607 14,6 17, ,250 11,9 Zonas Permeável 0,0672 0,05 1,3113 1,04 2,3044 1,75 industriais e 0,2400 0,2 4,6833 3,7 comerciais. Impermeável 0,1728 0,15 3,3719 2,66 5,9257 4,65 8,2301 6,4 Campo e áreas verdes. Permeável 76,543 60,1 76,543 60,1 53,638 42,1 53,638 42,1 27,109 21,2 27,109 21,2 Zonas florestais e vegetação densa. Corpos d água. Área total das classes. Permeável 34,367 26,9 34,367 26,9 27,050 21,2 27,050 21,2 30,747 24,1 30,747 24,1 0,05 0,0605 0,05 0,0605 0,1397 Permeável 122,20 95,6 107,95 85,3 89, , , Impermeável 5,1697 4,5 19,416 14,5 37,48 30,0 0,11 127, Fonte: Dados obtidos através do cálculo de áreas em ambiente SIG, dos mapas de cobertura superficial do terreno (anos de 1962, 1980 e 2000). Para o cálculo foi considerada a porção de área impermeável e permeável que cada classe possui. A quantificação das classes temáticas é de grande importância para este trabalho, não só no que refere-se à obtenção dos valores de CN para o cálculo dos coeficientes de escoamento superficial do terreno, mais também para a análise multitemporal da evolução urbana, que irá refletir no aumento do coeficiente de escoamento superficial da bacia. 91

109 92 92

110 93 93

111 94 94

112 ANÁLISE MULTITEMPORAL DAS CLASSES TEMÁTICAS DA COBERTURA SUPERFICIAL DO TERRENO Para melhor compreender a dinâmica da paisagem na área em estudo, foi executada a técnica de análise multitemporal, envolvendo os aspectos relacionados ao uso e ocupação do solo e redução das áreas naturais. Através da aplicação dessa técnica foi possível quantificar e mapear o crescimento das áreas urbanas e verificar o aumento das áreas impermeáveis. Os dados da análise multitemporal das classes de cobertura superficial do terreno mostram que havia um grande predomínio de campos e áreas verdes nos anos de 1962 e Em 1962 essa classe possuía uma área de 76,54 km 2 com um percentual de 60,13%, diminuindo em 1980 para 53,64 km 2, com um percentual de 42,12%, de toda a área da bacia hidrográfica do rio Atuba. No ano de 2000 os campos e áreas verdes diminuíram acentuadamente, passando a ocupar somente 27,10 km 2, ou seja, 21,27% de toda a área em estudo. Nota-se que esta classe aparecia bem distribuída por toda a bacia nos anos de 1962 e 1980, restringe-se, em 2000, quase que no seu total, às regiões do alto e médio curso. Este fato vem a demonstrar que o processo de urbanização na bacia do rio Atuba, como na maioria das bacias brasileira, vem ocorrendo na direção de jusante para montante. A classe de zonas florestais e vegetação densa representava a segunda maior área em extensão nos anos de 1962 e Em 1962 apresentava uma área de 34,36 km 2 com um percentual de 26,96%. Em 1980 verifica-se uma diminuição desta classe para 27,05 km 2, ou seja, para 21,25% de área ocupada. Já no ano de 2000 observa-se a regeneração das zonas florestais e vegetação densa, passando esta classe, a possuir 30,74 km 2 com 24,12% de toda a área da bacia. Na Figura 27 é apresentada uma mostra de áreas que sofreram o processo de regeneração das zonas florestais e vegetação densa. A classe de zonas industriais e comerciais compreendia 0,24 km 2 com 0,19% da área em No ano de 1980 esta classe aumentou para 4,68 km 2, chegando a 95

113 96 atingir 3,68% de toda a bacia. Em 2000 eleva-se para 8,23 km 2 correspondendo a um total de 6,45% da área. FIGURA 27 - EXEMPLO DE ÁREAS QUE SOFRERAM REGENERAÇÃO DA CLASSE DE ZONAS FLORESTAIS E VEGETAÇÃO DENSA ( ) Região de campos e áreas verdes fotografia n 54780, Região de zonas florestais e vegetação densa (ITCF-PR, 1980 ). fotografia n 22, faixa 5 (SUDERHSA, 2000). A região compreendida de edificação com muitas superfícies livres possuía 15,75 km 2, ou seja, 12,35% da área, em No ano de 1980 esta classe aumenta para 27,016 km 2 com 21,2% e, no ano de 2000, diminui para 15,25 km 2 com 11,95%, cedendo lugar para as classes de urbanização mais densas. As edificações com superfícies livres, no ano de 1962 compreendiam apenas 0,26 km 2, perfazendo 0,21% da bacia do rio Atuba. Em 1980, esta classe cresce para 9,0 km 2 com um percentual de 7%. No ano de 2000, aumenta para 17,78 km 2, abrangendo 14% da área. A classe de edificação não muito densa surge somente a partir de 1980, somando uma pequena área de 2,79 km 2, que representava 2,2% da área em estudo. Em 2000 essa classe aumentou acentuadamente, passando para 18,607km 2, ocupando 14,6% do total da área. Na classe de edificação muito densa verifica-se um crescimento acelerado no decorrer dos anos analisados. Em 1962 esta classe ocupava somente 0,20 km 2, ou seja, 0,16%. Em 1980 aumenta para 3,17 km 2 com 2,5% e em 2000 para 9,56 km 2 com um total de 7,5% de toda a área analisada. 96

114 97 O gráfico da Figura 28 ilustra a percentagem de área de cada classe de cobertura superficial da bacia hidrográfica do rio Atuba e, sua respectiva evolução através dos anos de 1962, 1980 a FIGURA 28 - GRÁFICO DA VARIAÇÃO DAS CLASSES DE COBERTURA SUPERFICIAL DO TERRENO DA BACIA HIDROGRÁFICA DO RIO ATUBA (%) % Edificação muito densa. Edificação não muito densa. Edificação com Edificações com muitas superfícies livres. superfícies livres ,16 0 0,21 12,3 0,2 60,1 26,9 0, ,5 2,2 7 21,2 3,7 42,1 21,2 0, ,5 14, ,9 6,4 21,2 24,1 0,11 Classes Zonas industriais e comerciais. Campo e áreas verdes. Zonas florestais e vegetação densa. Corpos d água. Fonte: Dados obtidos através do cálculo de áreas em ambiente SIG, dos mapas de cobertura superficial do terreno anos dos 1962, 1980 e No gráfico da figura acima observa-se que a classe de campo e áreas verdes e a classe de zonas florestais e vegetação densa, ainda são as duas classes que possuem a maior área em extensão territorial, ao longo dos anos analisados. No entanto, deve-se salientar aqui o aumento das classes de edificação muito densa, zonas industriais e comerciais, edificação não muito densa e edificação com superfícies livres. Dentro do perímetro da bacia hidrográfica do rio Atuba é verificada a presença de algumas áreas preservadas com espécies vegetais da Floresta Ombrófila Mista ou de florestas secundárias. Estas áreas encontram-se principalmente na região de suas nascentes, e mais ao seu interior, em áreas de preservação natural, como os 97

115 98 parques municipais do Bacacheri, da Barreirinha e o Museu de História Natural do Capão da Imbuia. Apesar da existência destas áreas de preservação, a bacia vem sofrendo um intenso processo de desmatamento, com forte urbanização na sua parte mais central e na jusante, e com densificação em direção a montante. Existe uma preocupação da Prefeitura Municipal de Curitiba com a implementação de medidas estruturais que ajudem a minimizar os problemas de inundação. No Programa de Planejamento de Saneamento Ambiental, para o controle de cheias da região de Curitiba, foram efetuadas obras de retificação de alguns trechos do rio Atuba e Bacacheri além da construção de dutos de drenagem e da criação de parques lineares com lagos artificiais, que servem como bacias de amortecimento das águas pluviais (Figura 29). FIGURA 29 - MEDIDAS ESTRUTURAIS PARA O CONTROLE DE CHEIAS NA REGIÃO DE CURITIBA A) Exemplo de medidas intensivas - retificação do canal de drenagem do rio Bacacheri e sistema de dutos de drenagem artificial, que conduzem as águas pluviais até o leito do rio / Parque-Bacacheri (Bairro do Bacacheri). (01) (02) B) Parque do Bacacheri (01) e Parque da Barreirinha (02) lagoas artificiais que servem para o amortecimento das águas pluviais. 98

116 99 3. TEMPO DE CONCENTRAÇÃO (t C ) O cálculo do tempo de concentração na bacia hidrográfica do rio Atuba foi realizado através da equação de GERMANO et al. (1998). Os autores (op. cit., 1998) estabeleceram uma relação entre o comprimento da bacia e as áreas impermeáveis, para determinar o tempo de concentração, obtido através do ajuste destes parâmetros utilizando o modelo IPH-II. Para tal estudo, selecionaram parâmetros de 28 bacias urbanas das cidades de Porto Alegre, Joinville, São Paulo, Rio de Janeiro e Curitiba. Em Curitiba os dados selecionados foram referentes às bacias onde estão situadas as estações fluviométricas de Curitiba - Prado Velho no rio Belém e Afonso Camargo no rio Atuba. A relação estabelecida pelos autores foi: 0,882 tal 0,272 L tc = 18,628 equação (13) IMP onde: t c = tempo de concentração em minutos; L tal = extensão do talvegue em quilômetros; IMP = percentagem de áreas impermeáveis na bacia. De acordo com GERMANO et al. (1998), uma das limitações desta equação é que a mesma foi elaborada com base em bacias de tamanho superior ao de aplicabilidade do Método Racional. Na literatura técnico-científica são diversas as fórmulas apresentadas para o cálculo do tempo de concentração, tanto para áreas rurais como para áreas urbanas. A maioria destas fórmulas, principalmente as de aplicação em áreas urbanas, são elaboradas a partir de observações de bacias de micro escalas, tendo assim, uso restrito a estas áreas. Apesar de envolver poucos parâmetros em relação à maioria das fórmulas de cálculo de tempo de concentração, a escolha neste trabalho da fórmula elaborada por GERMANO et al. (1998), teve como critério básico, a seleção de uma fórmula 99

117 100 que se adaptasse a bacias urbanas com áreas superiores ao tamanho de áreas recomendadas pelo Método Racional. Outro fator levado em consideração durante a sua seleção é que a fórmula de GERMANO et al. (1998), foi determinada a partir de bacias experimentais localizadas nas regiões sul e sudeste do país, sendo uma delas, a bacia do rio Atuba. Este fator vem a caracteriza melhor os aspectos fisiográficos da região em estudo. Para possibilitar a realização da análise multitemporal do processo de impermeabilização do solo, o tempo de concentração (t c ) na bacia do rio Atuba foi determinado para quatro períodos distintos de desenvolvimento urbano, sendo eles: a) início da década de 60 (ano de 1962) quando a impermeabilização do solo ocupava apenas 4,5% da área total da bacia, estando esta quase que em seu estado natural; b) década de 80 (1980), início do processo de urbanização na bacia e intensificação da impermeabilização; c) ano 2000 período com nível de urbanização e impermeabilização do solo, próximo ao atual; d) cenário futuro, equivalente a uma projeção correspondente a um estágio de impermeabilização do solo para o ano de A escolha das datas para o cálculo do tempo de concentração ocorreu em função das fotografias aéreas disponíveis para a região. O uso da fórmula de GERMANO et al. (1998), possibilitou considerar a evolução das áreas impermeáveis entre os anos de 1962, 1980, 2000 e um cenário futuro. A determinação dos parâmetros necessários à aplicação do modelo hidrológico de transformação de precipitação em vazão para o cenário futuro (ano de 2020), foi definida através da confecção gráfica dos dados existentes dos anos de 1962, 1980 e 2000, com a projeção da inflexão da curva tendêncial desses dados, para o ano de

118 101 Como áreas impermeáveis (A i ), foram consideradas a somatória dos percentuais da impermeabilização de todas as classes temáticas de cobertura superficial do terreno, verificadas na Tabela 17. Os resultados calculados para os referidos anos analisados são apresentados na Tabela 18. TABELA 18 - VALORES DO TEMPO DE CONCENTRAÇÃO DA BACIA HIDROGRÁFICA DO RIO ATUBA DOS ANOS DE 1962, 1980 E Anos A (área da bacia) Ltal (extensão do talvegue) A i km 2 A i % t c min t c h ,43 23,50 km 5,20 4,5 199,73 3, ,43 23,50 km 18,48 14,5 145,70 2, ,43 23,50 km 37,71 30,0 119,68 2, ,43 23,50 km 57,98 45,5 106,95 1,45 Fonte: valores estimados a partir da equação de GERMANO et al. (1998). FIGURA 30 - GRÁFICOS DA CURVA DE TENDÊNCIA DOS VALORES DE Ai Ai % Seqüência tendencial Anos Fonte: gráfico elaborado a partir dos dados de Ai dos anos de 1962, 1980 e

119 INTENSIDADE MÁXIMA DA CHUVA (i m ) Varias são as equações que calculam a intensidade máxima da chuva para Curitiba e outras cidades do país. Neste trabalho, optou-se, pela equação de chuvas intensas atualizada por FENDRICH (2000) e apresentada em FENDRICH (2003). O autor elabora a equação de chuvas intensas através da relação de intensidade-duração-freqüência, de análise de registros pluviométricos observados na Estação Pluviométrica de Curitiba - Prado Velho entre os anos de 1981 a Utilizando-se de ajustes estatísticos determinou os valores de a, b, c e d para a região de Curitiba, obtendo a seguinte equação: i m 0, ,64.Tr = equação (14) ( t + 41) 1,041 d onde: i m = intensidade da chuva dada em mm/h; T r = tempo de recorrência em anos; t d = duração da chuva, em min que é igual ao tempo de concentração da bacia; Tendo em vista que a equação foi elaborada a partir de dados observados na Estação Pluviográfica Curitiba - Prado Velho, situada na vizinhança da bacia do rio Atuba, a mesma possibilitou uma melhor representação da intensidade máxima média da chuva na área em estudo. No trabalho foram selecionados quatro períodos de retorno diferentes para a aplicação da equação de chuvas intensas. Os valores da intensidade da chuva obtidos para os tempos de concentração determinados e, respectivos anos analisados, são apresentados na Tabela

120 103 TABELA 19 - VALORES DA INTENSIDADE DA CHUVA (mm/h) PARA A BACIA HIDROGRÁFICA DO RIO ATUBA. Tempo de Intensidade da chuva (mm/h) concentração Tempo de Retorno (Tr) em anos Ano (t c ) min ,73 24,55 27,40 31,70 35, ,70 31,97 35,70 41,30 46, ,68 37,40 41,75 48,28 53, ,95 40,75 45,48 52,60 58,75 Fonte: valores estimados a partir da equação de FENDRICH (2000), para o cálculo de intensidade da chuva em Curitiba. 5. COEFICIENTE DE ESCOAMENTO SUPERFICIAL (C) A estimativa do coeficiente de escoamento superficial na bacia hidrográfica do rio Atuba, ou seja, a determinação da chuva de projeto nela ocorrida, foi realizada pelo método do Soil Conservation Service (SCS), elaborado pelo Departamento de Agricultura dos Estados Unidos. A metodologia do SCS é fundamentada em um parâmetro que busca descrever o tipo de uso do solo e a condição da superfície do terreno, em relação ao potencial de gerar escoamento superficial. Este parâmetro é representado pela sigla CN ('curve number' ou 'complex number'), tendo tradução em português de curva número". Segundo OSTA (1997), o valor de CN é compreendido entre zero e 100, sendo zero a representação de uma bacia de condutividade hidráulica infinita e 100 o valor correspondente a uma bacia totalmente impermeável. Para o autor, é importante assinalar que o valor de CN não corresponde à percentagem de zonas impermeáveis da bacia. A partir de dados de precipitação total e de precipitação efetiva em diversas bacias hidrográficas, o SCS estipulou valores de CN para vários tipos de solos, utilizando-se das características superficial do terreno e das condições de umidade antecedente do solo, tanto para áreas rurais como para as bacias urbanas a parcialmente urbanizadas (CHOW et al., 1988). 103

121 104 Como é provável que as bacias apresentem regiões com valores de CN distintos, o valor global pode ser calculado pela ponderação dos diversos valores parciais de CN, feita em função das áreas a que cada um corresponde (OSTA, 1997). Conforme o Manual de Fundamentos do Modelo IPHS1 (2004) e CHOW et al. (1988), o algoritmo do SCS está baseado na proporção: onde: ( P C) S = C P equação (15) P = precipitação acumulada, ou seja, a precipitação total de um evento considerado (mm); C = coeficiente de escoamento superficial (adimensional); S = coeficiente de armazenamento superficial, por infiltração, que está relacionada com os parâmetros que caracterizam a superfície (CN), dado em (mm). O método considera uma perda inicial de água igual à quantidade de precipitação que não produz escoamento no início da chuva de tormenta. Introduzindo a perda inicial ( Ia ) da precipitação acumulada (P) na equação anterior (Equação 15) e isolando (C) tem-se: ( P Ia) 2 C = equação (16) (P 0,8.S) No método do SCS o valor da perda inicial (Ia), é considerado como 20% das perdas potenciais máximas, sendo: Ia = 0,2 *S equação (17) Substituindo a Equação (17) em (16), obtêm-se as seguintes relações: 104

122 105 2 (P 0,2.S) 1 C = 0 para P < Ia e, C = [ ]. para P > Ia equação (18) P + 0,8.S P ( ) Para determinar a capacidade máxima de infiltração da camada superficial do solo (valor de S ), o método do SCS relaciona esse parâmetro com o fator de CN pela seguinte expressão: S = 254 equação (19) CN A Equação 19, retrata as condições de cobertura superficial do terreno e do solo, variando desde superfície muito impermeável até superfície completamente permeável. Os valores de CN dependem das características físicas do solo, umidade antecedente do solo e da cobertura superficial do terreno. Segundo TUCCI (1995), a aplicação do método do SCS consiste nas seguintes etapas: determinação do grupo hidrológico do solo; escolha das condições de saturação do solo; determinação de valores de CN para a condição de umidade do solo desejada e; a determinação do escoamento superficial pela Equação (10). O método do SCS distingue quatro grupos hidrológicos de solos e três condições de umidade antecedente, descritas a seguir: 105

123 106 Grupos Hidrológicos de Solos Grupo A solos arenosos com baixo teor de argila total, inferior a 8%, não havendo rocha nem camada argilosa, e nem mesmo densificadas até a profundidade de 1,5 m. O teor de humos é muito baixo, não atingindo 1%. Este grupo de solos apresenta baixo potencial de escoamento, alta taxa de infiltração quando completamente úmido. Grupo B solos arenosos menos profundos que os do Grupo A e com maior teor de argila total, porem ainda inferior a 15%. No caso de terras roxas, esse limite pode subir a 20% graças a maior porosidade. Os dois teores de humos podem subir, respectivamente, a 1,2 e 1,5%. Não pode haver pedras e nem camadas argilosas até 1,5m, mas é, quase sempre, presente camada mais densificadas que a camada superficial. Os solos do grupo B são solos com moderada taxa de infiltração quando completamente úmidos. Grupo C solos argilosos com teor total de argila de 20% a 30%, mas sem camadas argilosas impermeáveis ou contendo pedras, até profundidade de 1,2 m. No caso de terras roxas, esses dois limites máximos podem ser de 40% e 1,5 m. Nota-se a cerca de 60 cm de profundidade camada mais densificada que no Grupo B, mas ainda longe das condições de impermeabilidade. Os solos do grupo C possuem baixa taxa de infiltração quando completamente úmidos. Grupo D solos argilosos, com 30% a 40% de argila total, com camada densificada a uns 50 cm de profundidade e quase impermeável. Ou solos arenosos como o do Grupo B, mas com camada de argila quase impermeável, ou horizonte de seixos rolados. São solos com elevado potencial de escoamento e baixa taxa de infiltração. 106

124 107 Umidade Antecedente do Solo condição I solos secos: as chuvas, nos últimos 5 dias, não ultrapassaram 15 mm; condição II situação média na época das cheias: as chuvas, nos últimos 5 dias, totalizaram de 15 a 40 mm; condição III solo úmido (próximo da saturação): as chuvas, nos últimos 5 dias, foram superiores a 40 mm. Os últimos 5 dias considerados são os 5 dias antecedentes ao dia da precipitação máxima analisada. Através de observações e das descrições das classes e umidades de solos mapeadas foram determinados os grupos hidrológicos de solos para a bacia hidrográfica em estudo, indicados na Tabela 20. TABELA 20 - GRUPOS HIDROLÓGICOS DE SOLOS DA BACIA HIDROGRÁFICA DO RIO ATUBA. Classes Características Unidades Material de origem Área em km 2 Grupos hidrológicos LATOSSOLO VERMELHO AMARELO CAMBISSOLOS ÁLICOS textura argilosa, porosos, bem drenado textura argilosa, porosos, moderado a LVa3 LVa6 LVa8 LVa13 Ca2 sedimento argilosos, arcósios e areias finas rochas dos Complexos Migmatíticos rochas dos Complexos Migmatíticos rochas do Grupo Açungui rochas dos Complexos Migmatíticos bem drenado Ca5 transição ente rochas do Grupo Açungui e dos Complexos Migmatíticos 34,85 C 3,45 C 2,13 C 3,40 C 30,64 C 13,04 C 107

125 108 CONTINUAÇÃO DA TABELA 20 - GRUPOS HIDROLÓGICOS DE SOLOS DA BACIA HIDROGRÁFICA DO RIO ATUBA. Classes Características Unidades Material de origem Área em km 2 Grupos hidrológicos textura argilosa, porosos, moderado a bem drenado Ca37 rochas do Grupo Açungui 1,25 C TERRA ROXA ESTRUTURADA DISTRÓFICA SOLOS HIDROMÓRFICOS GLEYZADOS SOLOS ORGÂNICOS ÁLICOS textura argilosa, porosos, bem drenado textura argilosa, camada densificada, mal a muito mal drenados TRd4 HG2 rochas dos Complexos Migmatíticos sedimentos aluvionais não consolidados mal drenados HOa1 sedimentos coluvio aluviais do Quaternário 4,53 C 6,16 D 29,47 D 5.1. DETERMINAÇÃO DOS VALORES DE (CN) Os valores de CN foram estimados a partir da utilização do modulo cálculo do CN, para bacias urbanas a parcialmente urbanizadas, contido no modelo hidrológico-hidrodinâmico IPHS1 para Windons, Versão 2.1, elaborado pelo Instituto de Pesquisas Hidráulicas da UFRGS e Faculdade de Engenharia Agrícola UFPel. O modelo fornece o valor de CN para cada umidade antecedente dos solos, a partir da interpolação de características da cobertura superficial do terreno com cada grupo hidrológico de solos, considerados no método do SCS. A Tabela 21 apresenta os valores de CN calculados para cada tipo de cobertura superficial do terreno, grupo hidrológico de solos e condições I, II e III de umidade antecedente na bacia hidrográfica do rio Atuba. 108

126 109 TABELA 21 - VALORES DE CN EM FUNÇÃO DA COBERTURA SUPERFICIAL DO TERRENO, DO TIPO HIDROLÓGICO E CONDIÇÃO DE UMIDADE DO SOLO PARA A BACIA HIDROGRÁFICA DO RIO ATUBA. Tipo de Cobertura Superficial do Terreno condição-i de umidade e grupo hidrológico de solos Valor de CN condição-ii de umidade e grupo hidrológico de solos condição-iii de umidade e grupo hidrológico de solos C D C D C D 86,08 87,00 94,00 95,00 96,97 98,00 Edificação muito densa: em média 85% de áreas impermeáveis. Edificação não muito densa: em média 65% de 78,00 84,25 90,00 92,00 95,39 96,36 áreas impermeáveis. Edificações com superfícies livres: em média 38% 68,35 75,40 83,00 87,00 91,79 92,80 de áreas impermeáveis. Edificação com muitas superfícies livres: em 66,71 74,53 81,00 86,00 89,58 91,73 média 30% de áreas impermeáveis. Zonas industriais e comerciais: em média 72% de 83,34 85,17 91,00 93,00 94,00 95,94 áreas impermeáveis. Campo e áreas verdes. 53,96 61,43 71,00 81,00 83,31 88,73 Zonas florestais e vegetação densa. 51,00 60,64 70,00 77,00 85,00 87,59 Fonte: valores estimados a partir do modelo hidrológico-hidrodinâmico - IPHS1. Como a bacia hidrográfica em estudo apresenta diversos tipos de solo e de ocupação, calculo-se os valores dos CN médio, para os três anos em análise, a partir da média ponderada dos diversos CNs correspondentes a cada área homogênea, formada por um dado grupo de solos e um determinado tipo de cobertura superficial do terreno (Tabela 22). TABELA 22 - VALORES PONDERADOS DE CN PARA A BACIA HIDROGRÁFICA DO RIO ATUBA. Valor de CN Condição de umidade do solo I 52,07 61,52 66,27 II 73,20 76,50 80,57 III 86,00 87,72 89,82 Fonte: valores estimados a partir da média ponderada dos valores de CN correspondentes às áreas homogêneas. 109

127 DETERMINAÇÃO DOS VALORES DO COEFICIENTE DE ARMAZENAMENTO (S) Através da Equação 19 que estipula a capacidade máxima de infiltração da camada superficial do solo, foram calculados os valores do parâmetro S para cada tipo de cobertura superficial do terreno, grupo hidrológico de solos e condições de umidade antecedente, obtidos com base nos valores de CN tabelados. Os valores de S obtidos são verificados na Tabela 23. TABELA 23 - VALORES DE S DADOS EM FUNÇÃO DA COBERTURA SUPERFICIAL DO TERRENO, DO TIPO HIDROLÓGICO E CONDIÇÃO DE UMIDADE DO SOLO PARA A BACIA HIDROGRAFIA DO RIO ATUBA. Tipo de Cobertura Superficial do Terreno condição-i de umidade e grupo hidrológico de solos Valores de S em (mm) condição-ii de umidade e grupo hidrológico de solos condição-iii de umidade e grupo hidrológico de solos C D C D C D 41,07 37,95 16,21 13,37 7,9 5,18 Edificação muito densa: em média 85% de áreas impermeáveis Edificação não muito densa: em média 65% de 71,64 47,48 28,22 22,08 12,27 9,59 áreas impermeáveis Edificações com superfícies livres: em média 38% 117,61 82,87 52,02 37,95 22,72 19,70 de áreas impermeáveis Edificação com muitas superfícies livres: em 126,75 86,80 59,58 41,35 28,88 22,90 média 30% de áreas impermeáveis Zonas industriais e comerciais: em média 72% de 50,77 44,22 25,12 19,12 16,21 10,75 áreas impermeáveis Campo e áreas verdes 216,72 159,48 103,74 71,64 50,88 32,26 Zonas florestais e vegetação densa 244,04 164,65 108,86 75,87 44,82 35,98 Fonte: valores estimados a partir do Método de SCS Equação -19. Como a bacia apresenta regiões com valores de S distintos, em função dos tipos de cobertura superficial do terreno e dos grupos hidrológicos de solos, esses valores foram mapeados (Figuras 31, 32, 33) para possibilitar o cálculo da área que cada valor de S, corresponde dentro do perímetro da bacia. As áreas totais de cada tipo de cobertura superficial do terreno, combinadas aos grupos hidrológicos de solos (valores de S ), estão apresentadas na Tabela

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